生物化学第六章糖类代谢.ppt

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1、第六章 糖类代谢,第一节 生物体内的糖类第二节 双糖和多糖的酶促降解第三节 糖酵解第四节 三羧酸循环第五节 磷酸戊糖途径第六节 光合作用（自学）第七节 糖异生作用第八节 双糖和多糖的生物合成,本章主要包括糖的分解代谢和糖的合成代谢。在糖的分解代谢部分重点掌握糖酵解、磷酸戊糖途径和三羧酸循环，理解各条途径的生理学意义及主要调控部位；在糖的合成途径中重点掌握糖异生途径；多糖代谢中应了解淀粉和糖原的降解与合成方式。,糖类的生物学作用主要有以下几方面：1.糖是生物能量的主要来源 动物、植物和微生物都能利用分解糖类产生能量以供给生命活动以及生长发育所用。糖是人类及大多数动物的主要食物。糖类进入体内一般在

2、酶的作用下转化为葡萄糖，经血液运输到各个细胞及组织氧化后产生能量。葡萄糖体外完全氧化为水和CO2可释放能量2840 kJ.mol1。微生物和低等动物除了可以利用葡萄糖外，也能利用其它糖类，例如真菌可分解纤维素。,2.糖是细胞及组织的重要结构成分 生物体内很多物质具有糖类成分。例如核酸中的核糖、脱氧核糖；细胞膜的糖蛋白、糖脂；结缔组织的透明质酸、硫酸软骨素等；植物细胞壁的主要成分纤维素、半纤维素、果胶等；无脊椎动物的几丁质以及低等生物的肽聚糖、胞壁酸等等都属于糖类物质。,3.糖可以作为生物的信息载体 糖类有多种异构体，结构变化丰富，其与蛋白质结合形成糖蛋白，糖蛋白是分子间识别及细胞间识别的重要信

3、息物质。例如人体免疫反应中抗原抗体的识别、植物花粉和柱头的识别、人的血型物质等都有糖类物质参与。,4.糖可以作为生理活性物质 少数糖类对哺乳动物具有生理活性。例如肝素具有抗凝血作用，某些菌类多糖具有增强免疫功能作用等。,第一节 生物体内的糖类 糖类是指含有多羟基的醛类或酮类化合物，及其产生的缩聚物或衍生物（水解后产生多羟基醛或酮）。因大多数单糖的C：H：O元素比为1：2：1，常写成Cn(H2O)n通式，所以也称为碳水化合物。按照糖的功能基团可把糖分为醛糖和酮糖。根据糖类的结构性质及聚合程度可分为单糖、寡糖和多糖。按照有无其他非糖成分又可分为单成分糖和复合糖。,一、单糖 单糖只含有一个羰基，不能

4、再水解为更简单的糖。最简单的单糖是甘油醛和二羟丙酮。,D-甘油醛,二羟丙酮,含有醛基的单糖叫醛糖，如甘油醛、葡萄糖、核糖等；含有酮基的单糖叫酮糖，如二羟丙酮、果糖、核酮糖等。单糖又根据C原子数分为三、四、五、六、七碳糖，习惯也称为丙、丁、戊、己、庚糖。例如三碳糖也称为丙糖，六碳糖称为己糖。,生物体内最常见的单糖是戊糖（如核糖和脱氧核糖）和己糖（如葡萄糖和果糖）。其结构如下（图6-1）：,二、双糖 生物体内常见的双糖主要有蔗糖、麦芽糖、乳糖等。蔗糖是由-D葡萄糖和-D果糖缩合形成的，为,（12）糖苷键连接键。分子式如下（图6-2）:,蔗糖没有半缩醛羟基，在化学性质上没有还原性，称非还原糖。,麦芽

5、糖是由两分子D葡萄糖缩合组成，为（14）糖苷键连接。麦芽糖保留了半缩醛羟基，属于还原糖（图6-3）。生物体内麦芽糖含量极少，几乎测不到（包括动物和植物），但并非不存在。植物种子在萌发时贮藏的淀粉水解，麦芽糖含量略有增多，然后迅速由麦芽糖酶水解为葡萄糖。,图6-3 麦芽糖的结构,乳糖是-D半乳糖和-D葡萄糖的缩合物，化学名为半乳糖,（14）葡萄糖苷。属于还原糖，其分子式如图6-4：乳糖大量存在于动物乳汁中，甜度明显低于蔗糖和麦芽糖，溶解性略差，所以奶粉呈乳状。乳糖在体外可被稀盐酸水解，体内可被乳糖酶水解。但有个别成年人或老人由于胃肠中缺乏乳糖酶，喝牛奶会腹泻或腹痛。,图6-4 乳糖的结构,三、多

6、糖（一）多糖的特征 多糖是由多个单糖通过糖苷键聚合成的高分子聚合物。单糖数目随机而不固定，所以多糖没有固定的分子质量和确定的物理常数。多糖是自然界存在量最大的一类有机物质。也是人类重要的食物来源和工业原料。,多糖一般难溶于水或根本不溶于水，也不能形成晶体，没有甜味，旋光性不明显，化学性质比较稳定，除了在一定条件下发生降解反应外，很难发生氧化、还原、成苷、成酯等反应，尤其是构成动植物骨架的多糖如纤维素、几丁质等，化学性质更为稳定。,（二）重要的多糖1淀粉和糖原 淀粉由植物合成，糖原由动物合成，二者都是以-D葡萄糖为单体的多聚糖。聚合方式以（14）糖苷键连接形成直链，以（16）糖苷键连接形成支链（

7、图6-5）。,图6-5 淀粉和糖原中葡萄糖的连接方式,淀粉的分子结构,天然淀粉中为直链和支链淀粉的混合物，直链淀粉约占10%30%。直链淀粉微溶于水，溶于热水，支链淀粉不溶于水，但遇水能够吸收水分膨胀成糊状。淀粉遇碘显紫色（直链）或紫红色（支链）。糖原是人和动物的贮藏营养性多糖。糖原的分子质量约在120 000以上，结构与淀粉相似，与淀粉的不同在于糖原几乎全部为分支链，支链上还有分支，每个分枝上有一个非还原性末端。糖原可溶于沸水，遇碘显棕红色。,糖原的分子结构,2纤维素 纤维素是由-D葡萄糖以（14）糖苷键连接而成的链状高聚物。与淀粉结构不同的是，在纤维素结构中不存在分支。纤维素存在于植物细胞

8、壁中，是构成植物支持组织的主要结构物质。纤维素的单链结构片断如下（图6-6）：,图6-6 纤维素结构简图,纤维素的分子结构,纤维素在性质上不溶于水，可被纤维素酶水解为纤维二糖。真菌等一些微生物可分泌纤维素酶来分解纤维素。食草动物胃中某些细菌也可帮助消化纤维素。因人体内不含有纤维素酶，故食品中的纤维素不能被消化，但可刺激胃肠蠕动。,3果胶酸 果胶酸是以-D半乳糖醛酸为单体通过（14）糖苷键连接的聚合物。是植物细胞壁间的粘结物质。纯果胶酸约有100个左右单体，有一定的水溶性。但半乳糖醛酸羧基常与钙结合形成果胶酸钙（或与镁形成果胶酸镁），借助钙盐把果胶酸交联，使其几乎不溶于水。,果胶分子的基本结构,

9、随着细胞的发育进程，果胶酸的半乳糖醛酸羧基还常与甲基结合形成果胶酸甲酯。当细胞成熟或进入衰老阶段，甲酯化程度可高达80%以上，果胶酸主要以果胶酸甲酯形式存在。由于甲酯化，不能形成钙盐，所以细胞间粘结较松驰，表现出成熟果实变软，以及自然落叶和落果等现象。,由于果胶酸、果胶酸钙和果胶酸甲酯常混合为一体，不易划分，将这种混合物称为果胶。在果实成熟或器官衰老时，会有多聚半乳糖醛酸酶和果胶酸酶引起果胶分解，促进细胞粘结松驰，导致果实明显变软或器官脱落。,4壳多糖 壳多糖也叫几丁质，是以N乙酰-D-葡糖胺为单体通过（14）糖苷键连接形成的聚合物（如图6-7）。几丁质是甲壳动物及昆虫体壁物质，称无脊椎动物外

10、骨骼。几丁质不溶于水，化学性质非常稳定，人体不能消化。,图6-7 几丁质结构简图,4透明质酸 是以-D葡萄糖醛酸和N-乙酰D葡糖胺为单体，通过（13）糖苷键和（14）糖苷键重复交替连接形成的杂聚多糖。也称糖胺聚糖。其结构片段如下（图6-8）：,图6-8 透明质酸结构简图,透明质酸主要存在于人和动物的结缔组织中，包括关节腔、滑膜腔内液等成分中。在组织中有缓冲、润滑作用，所以又叫粘多糖。细菌有透明质酸酶，感染后可引起透明质酸解聚，造成关节水肿、囊肿、发炎等症状。蜂毒、蛇毒中也有透明质酸酶。,5硫酸软骨素 属于粘多糖。结构与透明质酸有相似之处，是以-D葡萄糖醛酸和N-乙酰-D半乳糖胺硫酸酯为单体，通

11、过（13）糖苷键和（14）糖苷键重复交替连接聚合成的杂聚多糖。硫酸基的位置可以在-D半乳糖胺的C6位或C4位形成硫酸酯。所以硫酸软骨素分为软骨素-6-硫酸（见图6-9）和软骨素-4-硫酸两种。,图6-9 硫酸软骨素-6-硫酸结构简图,硫酸软骨素-6-硫酸存在于动物软骨等多种组织中。软骨素-4-硫酸过去称硫酸软骨素B，在皮肤、胃肠粘膜及肌腱中较多，所以也称为硫酸皮肤素。,6肽聚糖 是细菌细胞壁主要成分。分子中有短肽链，结构比较复杂。肽聚糖的结构是由多糖和短肽两类物质相互交织形成的具有网状结构的杂聚多糖。其中的多糖组份是以N乙酰D葡糖胺（NAG）和N-乙酰胞壁酸（NAM）以（14）糖苷键交替连接形

12、成的杂多糖。短肽组分包括两种肽链，一种为四肽L-AlaD-GluL-LysD-Ala，连接在N乙酰胞壁酸的3羟基处乳酸侧链的羧基上，四肽中含有D-型氨基酸。,另一种是五肽，一般是五聚甘氨酸，将两条多糖链上的四肽侧链之间以五肽桥连接（图6-10）。革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的肽聚糖交联方式略有不同。溶菌酶可作用于肽聚糖的多糖链，使多糖链断裂导致菌体吸水膨胀破裂而杀死细菌。青霉素类抗生素可抑制肽聚糖短肽之间的交联，无法合成完整的细胞壁而发挥抑菌作用。,图6-10 肽聚糖中NAG和NAM形成的多糖与短肽交联示意图,第二节 双糖和多糖的酶促降解 糖类是所有生物最基本的代谢底物，不同生物所能利用的糖类会

13、有所不同，绝大多数生物细胞进行糖类的分解代谢都是以葡萄糖为底物。而多糖、双糖必须水解成单糖才能进行分解代谢，其他类型单糖如半乳糖、鼠李糖等，通常是经一些特定的途径转化为葡萄糖才能进入分解代谢。,一、双糖的酶促降解（一）蔗糖的降解 蔗糖酶（sucrase）可将蔗糖水解为葡萄糖和果糖。蔗糖酶广泛存在于植物体内。蔗糖+H2O 葡萄糖+果糖,蔗糖降解的另一条途径是在蔗糖合酶作用下，将蔗糖中的葡萄糖转移到UDP（尿苷二磷酸）上，生成UDPG（尿苷二磷酸葡萄糖）。UDPG可作为淀粉合成时的糖基供体。,（二）麦芽糖的降解植物体内的麦芽糖主要来自淀粉的水解。一般情况下植物体内游离的麦芽糖极少，只有在种子萌发时

14、大量淀粉水解，游离麦芽糖才增多。麦芽糖酶可将麦芽糖水解为葡萄糖再进入糖的氧化分解途径，或转化为其他单糖或多糖。麦芽糖+H2O 2葡萄糖,二、多糖的酶促降解（一）淀粉的降解 1.淀粉的水解 淀粉的水解是在淀粉酶、R酶和麦芽糖酶的协调作用下进行的。淀粉酶能够催化（14）糖苷键水解，按其催化特性和作用方式将淀粉酶分成-淀粉酶和-淀粉酶两种。R酶也叫脱支酶，作用于（16）糖苷键。,淀粉酶-淀粉酶广泛存在于植物、动物和微生物中，属于淀粉内切酶，从淀粉链中间切开（14）糖苷键，水解直链淀粉后的产物有葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖和低聚糖的混合物。水解支链淀粉后的产物有葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖和-极限糊精。极限糊

15、精是指淀粉酶不能再分解的支链淀粉残基。-极限糊精是指含-1，6糖苷键由3个以上葡萄糖基构成的极限糊精。,淀粉酶 淀粉酶主要存在植物的种子中，属于淀粉外切酶，水解（14）糖苷键，从淀粉分子非还原端开始，每间隔一个糖苷键进行水解，每次水解出一个麦芽糖分子。直链淀粉经-淀粉酶水解后的产物是麦芽糖；支链淀粉经-淀粉酶水解后的产物有麦芽糖和-极限糊精。-极限糊精是指-淀粉酶作用到离分支点23个葡萄糖基为止的剩余部分。,-淀粉酶和-淀粉酶对温度和酸的耐受能力不同。-淀粉酶不耐酸，pH3时失活，但耐高温，70C时15分钟仍保持活性；-淀粉酶耐酸，pH3时仍保持活性，但不耐高温，70C时15分钟失活。,R酶

16、支链淀粉经-淀粉酶和-淀粉酶水解后剩下的极限糊精中含有（16）糖苷键的支链基团，由R酶将之水解，但是R酶不能直接水解处于淀粉内部的（16）糖苷键。淀粉水解产生的麦芽糖在植物体内难以直接利用，须经麦芽糖酶水解成葡萄糖后才能参与糖的代谢。,2.淀粉的磷酸解 植物体内还有一种淀粉磷酸化酶，在磷酸存在情况下，可催化淀粉的磷酸解，即在非还原末端将葡萄糖切下，产生1-磷酸葡萄糖。此酶在低温时活跃，所以甘薯冷藏会变甜。,淀粉的降解,淀粉的磷酸解,淀粉的酶促水解 淀粉酶：在淀粉分子内部任意水解-1.4糖苷键。（内切酶）淀粉酶:从非还原端开始，水解.4糖苷键，依次水解下一个麦芽糖单位（外切酶）脱支酶（R酶）:水

17、解淀粉酶和淀粉酶作用后留下的极限糊精中的1.6 糖苷键。,（二）糖原的降解 糖原可以看作是动物淀粉，结构与支链淀粉相似，只是分支更多。主要储存于肝脏和肌肉组织中。当机体需要葡萄糖时糖原发生降解以维持血糖浓度的稳定。动物对自身糖原的降解主要是在糖原磷酸化酶催化下进行的，脱支酶负责对支链的切除作用。,糖 原：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。糖原是由葡萄糖残基构成的含许多分支的大分子高聚物。糖原是由许多葡萄糖分子聚合而成的带有分支的高分子多糖类化合物。糖原分子的直链部分借-1,4-糖苷键而将葡萄糖残基连接起来，其支链部分则是借-1,6-糖苷键而形成分支。,一、糖原的合成代谢,

18、（二）合成部位,（一）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,-1,6-糖苷键,-1,4-糖苷键,糖原的结构,糖原的降解过程细胞中催化糖原降解的是磷酸化酶，它催化糖原发生磷酸解反应，从糖原的非还原端逐个磷酸解下葡萄糖-1-磷酸，葡萄糖-1-磷酸再经磷酸葡萄糖变位酶催化产生葡萄糖-6-磷酸。糖原经磷酸化酶单独作用的最终产物是许多葡萄糖-1-磷酸和极限糊精。但磷酸化酶不能水解（16）糖苷键，而糖原脱支酶是水解（16）糖苷键的，磷酸化酶和糖原脱支酶共同作用，可以使糖原完全降解。,糖原的磷酸解三种酶协同作用：磷酸化酶（催化1.4

19、-糖苷键断裂）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）,1、糖原磷酸化酶作用 糖原磷酸化酶作用于糖原产生1-磷酸葡萄糖。特点：从糖原的非还原性末端逐个磷酸解下1-磷酸葡萄糖，由于磷酸化酶只能分解-1,4-糖苷键，当糖链分解至分枝点约4个葡萄糖残基时，由于位阻作用，磷酸化酶不能再发挥作用。糖原经磷酸化酶单独作用的产物是许多1-磷酸葡萄糖和约4个葡萄糖残基极限糊精。,糖原磷酸化酶的活性受到磷酸化的共价修饰调节，糖原磷酸化酶被磷酸基修饰后表现为有催化活性，称为糖原磷酸化酶a，脱去磷酸基后则失去活性，称为糖原磷酸化酶b。糖原磷酸化酶a是外切酶，在磷酸存在下，从糖原非还原性末端每

20、次磷酸解下一个葡萄糖，产物是1-磷酸葡萄糖。,糖原的磷酸解作用,键断裂的位置,2、糖原脱支酶糖原脱支酶属于双功能酶，在同一肽链上具有不同催化活性的两个活性部位，即具有两种酶活性。糖基转移酶：催化寡聚葡萄糖片段转移。它能将极限分支4个葡萄糖残基中的3个转移到另一个分支的非还原性末端上。,脱支酶作用：催化1.6-糖苷键断裂。对剩下的1个以-1,6-糖苷键与糖链形成分支的葡萄糖残基，被脱支酶水解，产物是葡萄糖。,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）,3、磷酸葡萄糖变位酶 催化磷酸基团的转移。催化1-磷酸葡萄糖 1位的磷酸基团转移到的6位羟基上，

21、1-磷酸葡萄糖转变成了6-磷酸葡萄糖。6-磷酸葡萄糖可以参加糖酵解或转变成游离的葡萄糖。,1-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,第三节 糖酵解 糖的分解在生物体内存在多条途径，即使在同一细胞中也不止一种。多条代谢途径的存在是适应自然环境的结果，能有效地保证糖分解代谢进行，维持正常生命活动。,糖的分解代谢途径通常分为无氧分解和有氧分解两种方式。糖的无氧分解是指糖在分解途径中不需要分子氧参与，但并不意味代谢途径要在无氧条件下进行。糖的无氧分解是不彻底的分解，释放的能量有限。糖的有氧分解途径是指糖在分解过程中需要分子氧参与，糖可彻底分解，释放较多的能量。,一、糖酵解的概念 糖酵解（glycolysis）是

22、指葡萄糖经过一系列酶促反应最终被降解为丙酮酸并伴随ATP生成的过程。是一切有机体中普遍存在的葡萄糖降解途径。糖酵解一词源自希腊语glyco（糖）和lysis（裂开），意为糖的裂开。反应部位：细胞浆中进行。,糖酵解的全过程于 1940 年就已弄清楚，在这项研究中，有三位德国生物化学家：Gustav Embden、Otto Meyerhof、Jacob Parnas 的贡献最大，因此，糖酵解过程又称为 Embden-Meyerhof-Parnas 途径，简称 EMP途径。,二、糖酵解途径的反应历程 糖酵解途径从葡萄糖开始，到降解为丙酮酸为止，共有10步反应。可以分两个阶段。（一）吸能反应阶段（5步

23、反应包括己糖的磷酸化、磷酸己糖的裂解）（二）释能反应阶段（5步反应包括氧化脱氢及 ATP 和丙酮酸的生成）这 10 个步骤也可划分为四个阶段：即己糖的磷酸化、磷酸己糖的裂解、氧化脱氢及 ATP 和丙酮酸的生成。,（一）吸能反应阶段（第一阶段己糖的磷酸化、第二阶段磷酸己糖的裂解）葡萄糖经过4步反应产生两分子三碳糖，即3磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮，两个三碳糖是同分异构体，接下来的反应以3-磷酸甘油醛向下继续进行，这一阶段共消耗2个分子ATP（图6-11）。,第一阶段：己糖的磷酸化（糖活化阶段）葡萄糖经磷酸化和异构反应生成1,6-二磷酸果糖（F-1,6-BP，FDP）。通过两次磷酸化反应，将葡萄糖活化

24、为 1,6-二磷酸果糖，为裂解成 2分子磷酸丙糖作准备。这一阶段共消耗 2 分子 ATP，可称为耗能的糖活化阶段，包括 3 步反应：,第一阶段：葡萄糖的磷酸化,葡萄糖激酶,磷酸果糖激酶,异构酶,葡萄糖(glucose)磷酸化 6-磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphate,G-6-P)异构 6-磷酸果糖（fructose-6-phosphate,F-6-P）磷酸化 1,6-双磷酸果糖（fructose-1,6-bisphosphate,F-1,6-BP）,（1）葡萄糖的磷酸化 葡萄糖被 ATP 磷酸化形成 6-磷酸葡萄糖（6-P-G），即第一个磷酸化反应，这个反应由己糖激酶（hexok

25、inase）催化。,己糖激酶是从 ATP 转移磷酸基团到各种六碳糖上去的酶，该酶是糖酵解过程中的第 一个调节酶，催化的这个反应是不可逆的。将从 ATP 转移磷酸基团到受体上的酶称 为激酶。所有激酶的活性都需要 Mg2+（或其它二价金属离子如 Mn2+）作为激活因子。此酶是糖氧化反应过程的限速酶，有同工酶-型，、型主要存在于肝外组织，型主要存在于肝脏，特称葡萄糖激酶。,（2）6-磷酸果糖的生成 这是磷酸己糖的同分异构化反应，由磷酸葡萄糖异构酶催化 6-磷酸葡萄糖异构化为 6-磷酸果糖（6-P-F），即醛糖转变为酮糖。此反应是可逆的。,（3）1,6-二磷酸果糖的生成 6-磷酸果糖被 ATP 磷酸化

26、为 1,6-二磷酸果糖，即第二个磷酸化反应，这个反应由磷酸 果糖激酶催化，是糖酵解过程中的第二个不可逆反应。磷酸果糖激酶是一种变构酶，柠檬酸、ATP等是变构抑制剂，ADP、AMP、Pi、1,6-二磷酸果糖等是变构激活剂，胰岛素可诱导它的生成。此酶的活力水平严格地控制着糖酵解的速率。它是糖的有氧氧化过程中最重要的限速酶。,第二阶段：磷酸己糖的裂解（磷酸丙糖的生成）是 1,6-二磷酸果糖裂解为 2 分子磷酸丙糖以及磷酸丙糖的相互转化，此阶段包括 2 步反应。,1,6-双磷酸果糖(F-1,6-BP),3-磷酸甘油醛 磷酸二羟丙酮,第二阶段：磷酸己糖的裂解,醛缩酶,异构酶,（4）1,6-二磷酸果糖的裂

27、解 1,6-二磷酸果糖裂解为 3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮，反应由醛缩酶催化。此反应是可逆的。醛缩酶的名称取自于其逆向反应的性质，即醛醇缩合反应。,（5）磷酸丙糖的同分异构化 磷酸二羟丙酮不能继续进入糖酵解途径，但它可以在磷酸丙糖异构酶的催化下迅速异构化为 3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛可以直接进入糖酵解的后续反应。此反应也是可逆的。到此，1分子葡萄糖生成2分子3-磷酸甘油醛，通过两次磷酸化作用消耗2分子ATP。,（二）释能反应阶段（第三阶段氧化脱氢及 ATP 和第四阶段丙酮酸的生成）葡萄糖经过活化和裂解产生了三碳糖后，即开始进行氧化和释能（图6-11）。作为糖酵解的第二阶段产生4个分子ATP

28、。,第三阶段：磷酸甘油酸和第一个 的生成 3-磷酸甘油醛氧化脱氢，释放能量，产生第一个 ATP 分子，包括 2 步反应。,脱氢酶,激酶,（6）1,3-二磷酸甘油酸的生成 在有 NAD+和 H3PO4 时，3-磷酸甘油醛被 3-磷酸甘油醛脱氢酶催化，进行氧化脱氢，生成 1,3-二磷酸甘油酸。,该反应是糖酵解中唯一的一次氧化还原反应，同时又是磷酸化反应。在这步反应中产生的1,3二磷酸甘油酸含有1个高能磷酸键，是第一个高能磷酸化合物。3-磷酸甘油醛C1上的醛基变成为酰基磷酸，它是磷酸与羧酸的混合酸酐，具有转移磷酸基团的高势能。形成酸酐所需的能量来自于醛基的氧化。本反应脱下的氢和电子转给脱氢酶的辅酶N

29、AD+生成NADH+H+，磷酸根来自无机磷酸。,（7）3-磷酸甘油酸和第一个 ATP 的生成 磷酸甘油酸激酶催化 1,3-二磷酸甘油酸分子 C1 上高能磷酸基团到 ADP 上，生成 3-磷 酸甘油酸和 ATP。,此激酶催化的反应是可逆的。3-磷酸甘油醛氧化产生的高能中间物将其高能磷酸基团直接转移给 ADP 生成 ATP，这是糖酵解中第一次产生能量 ATP 的反应，而且这种 ATP 的生成方式是底物水平的磷酸化。因为 1 分子葡萄糖分解为 2 分子的三碳糖，实际产生 2 分子 ATP，这样就抵消了在第一阶段中葡萄糖的磷酸化所消耗的 2 分子 ATP。,第四阶段：丙酮酸和第二个 ATP 的生成第四

30、阶段包括 3 个步骤，最后生成丙酮酸和第二分子 ATP。,PEP,丙酮酸,Mg或Mn,烯醇化酶,丙酮酸激酶,（8）3-磷酸甘油酸异构化为 2-磷酸甘油酸 磷酸甘油酸变位酶催化 3-磷酸甘油酸 C3 上的磷酸基团转移到分子内的 C2 原子上，生成 2-磷酸甘油酸。该反应实际是分子内的重排，磷酸基团位置的移动。,（9）磷酸烯醇式丙酮酸的生成 在有 Mg2+或 Mn2+存在的条件下，由烯醇化酶催化 2-磷酸甘油酸脱去一分子水，生成磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）。本反应也是可逆的。这一脱水反应，使分子内部能量重新分布，C2上的磷酸基团转变为高能磷酸基团，因此，磷酸烯醇式丙酮酸是高能磷酸化合物，而且非常不稳

31、定。,（10）丙酮酸和第二个 ATP 的生成 在 Mg2+或 Mn2+的参与下，丙酮酸激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸基团转移到 ADP上，生成烯醇式丙酮酸和 ATP。而烯醇式丙酮酸很不稳定，迅速重排形成丙酮酸。,这是糖酵解过程中第二次产生能量 ATP 的反应，ATP 的生成方式也是底物水平的磷酸化。是糖酵解的第三个不可逆反应。至此，经过糖酵解途径，一个分子葡萄糖可氧化分解产生2个分子丙酮酸。在此过程中，经底物水平磷酸化可产生4个分子ATP，如与第一阶段葡萄糖磷酸化和磷酸果糖的磷酸化消耗二分子ATP相互抵消，每分子葡萄糖降解至丙酮酸净产生2分子ATP。葡萄糖+2Pi+2NAD+2ADP2丙酮酸+

32、2ATP+2NADH+2H+2H2O,三、糖酵解产生的能量 糖的分解在于为生命活动及其他合成代谢提供活跃的化学自由能和碳骨架中间产物。葡萄糖等有机分子所含的化学能不能为生命活动直接利用，必须通过分解代谢将能量转化为一种可利用的形态，即一种高能态分子，其中以ATP为代表。,糖酵解过程从1分子葡萄糖开始，经过两次活化，消耗2分子ATP，裂解为2个三碳糖，最终产生2分子丙酮酸。每个三碳糖脱氢氧化时产生1分子NADHH+，两次底物水平磷酸化产生2个ATP。所以1分子葡萄糖经历糖酵解过程净产生2分子ATP和2分子NADHH+。糖酵解的反应式可写为：葡萄糖2NAD+2ADP+2Pi2丙酮酸2NADH2H+

33、2ATP2H2O,四、糖酵解的生物学意义（一）糖酵解可为生物细胞活动提供能量 糖酵解途径是所有生物进行糖分解代谢的共有途径，不论在有氧或是无氧条件都能为生物的生命活动提供能量，尤其是在无氧条件下是不可缺少的重要代谢活动。对需氧生物来说，糖酵解途径虽然不需要分子氧，但对生物适应暂时的无氧条件也是十分重要的。,（二）糖酵解为其他代谢提供原料 糖酵解的中间产物及终产物，可作为其他代谢的底物或原料。例如丙酮酸可以进入三羧酸循环，有了糖酵解途径的存在，才能足以维持三羧酸循环这一高效的生物氧化途径运行，使糖类及其他有机分子能彻底氧化，并产生大量的可利用自由能。同时丙酮酸也是合成丙氨酸的碳骨架；磷酸甘油醛是

34、合成甘油及脂肪的原料，还可以沟通糖的分解与光合作用的联系；磷酸二羟丙酮可以通过羧化等过程产生草酰乙酸作为天冬氨酸合成的原料等。糖酵解与氨基酸代谢及脂肪代谢有着紧密的联系。,（三）糖酵解的逆过程是糖异生作用的主要途径。糖酵解的中间产物或者能转变成此类中间产物的物质，如乳酸、甘油、氨基酸等，都可在氧化过程中转变成丙酮酸或草酰乙酸，它们进一步在肝脏中经糖酵解的主要逆过程转变成糖。,（四）糖酵解在生物界的普遍存在有助于研究生物起源和进化 不论从较原始的低等生物，还是进化到较高级的生物，都存在糖酵解途径，表明生物有共同的起源，也表明糖酵解是一个古老的或者说比较原始的糖代谢途径。即使在亲缘关系较远的生物之

35、间，糖酵解途径中的很多酶的同源性都高于其他代谢途径的酶。可能在生物还普遍处于厌氧环境的较原始状态时，就已进化出了糖酵解途径，在进一步进化中有些生物细胞中又逐渐出现了其他的糖代谢途径。,（五）糖酵解途径是发酵工业的重要生产途径 糖酵解可以说是人类利用最早的生物代谢途径，并且沿用至今。例如我国在夏、商代之前就学会酿酒制醋。即使在工业发达的今天，糖酵解过程的利用仍与人类生活及工业生产直接相关。例如从传统的酿酒、制醋、制糖、酸奶和面包等食品、饮料的生产，到大规模工业甘油的发酵、丁醇的发酵以及乙醇的发酵等工业生产，这些都为新能源开发开辟了新的前景。,五、糖酵解途径的调控 正常生理条件下，生物体内的各种代

36、谢受到严格而精确的调节，以满足机体的需要，保持内环境的稳定。这种控制主要是通过调节酶的活性来实现的。在一个代谢过程中往往由催化不可逆反应的酶限制代谢反应速度，这种酶称为限速酶。,糖酵解途径中糖酵解中有三步反应是不可逆的，分别由己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化，因此这三种酶对酵解速度起到关键调节作用，是主要限速酶。胰岛素能诱导体内葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶的合成，因而促进这些酶的活性，从而促进糖的代谢。,（一）己糖激酶活性的调节,己糖激酶催化的反应是糖酵解途径的入口，其活性受到产物6-磷酸葡萄糖的反馈抑制。当6-磷酸葡萄糖浓度过高时，己糖激酶活性降低，以减少6-磷酸葡萄糖的积累。

37、ATP对该酶也有抑制作用。AMP和ADP对己糖激酶有激活作用。,（二）磷酸果糖激酶活性的调节,磷酸果糖激酶是糖酵解过程中最重要的调节酶，糖酵解速度主要决定于该酶活性，因此，它是一个限速酶。磷酸果糖激酶是一个变构酶，其活性受到ATP、NADH、柠檬酸和长链脂肪酸的抑制，而ADP和AMP对该酶有激活作用。,当细胞能量水平较高时，意味着ATP含量较高，而ADP和AMP的含量较低，ATP是磷酸果糖激酶的变构抑制剂，使该酶活性降低，从而减慢糖酵解速度。当细胞能量水平较低时，意味着ATP含量较少，而ADP和AMP的含量较多，二者对磷酸果糖激酶有激活作用，从而加速糖酵解速度。,细胞内柠檬酸或长链脂肪酸含量高

38、，意味着有丰富的碳骨架存在（即丰富的生物合成前体），二者通过抑制磷酸果糖激酶的活性减慢酵解速度使葡萄糖无须为提供碳骨架而降解。此外，磷酸果糖激酶被 H+抑制，在 pH 明显下降时糖酵解速率降低。这对防止在缺氧条件下形成过量的乳酸而导致酸毒症具有重要的意义。,（三）丙酮酸激酶,丙酮酸激酶的催化反应控制着糖酵解途径的出口。丙酮酸激酶的活性受到1,6-二磷酸果糖的前馈激活和ATP的抑制。当1,6-二磷酸果糖发生积累时会引起丙酮酸生成速度加快，而ATP充足时则引起丙酮酸生成减慢。这样使得代谢速度随产物的积累或消耗控制代谢速度，使代谢维持平衡。,丙酮酸本身虽没有反馈抑制作用，但丙酮酸的衍生物丙氨酸对该酶

39、具有变构抑制作用。丙氨酸过多说明前体物质丙酮酸过剩。另外，ATP对丙酮酸激酶也有变构抑制作用。,影响酵解的调控位点及相应调节物,规律：主要通过调节反应途径中几种酶的活性来控制整个途径的速度，被调节的酶多数为催化反应历程中不可逆反应的酶，通过酶的变构效应实现活性的调节，调节物多为本途径的中间物或与本途径有关的代谢产物。,ATP抑制,柠檬酸、NADH抑制,ADP和AMP激活,Mg2+激活,6-磷酸葡萄糖抑制,Mg2+激活,ATP抑制,丙氨酸抑制,1，6二磷酸果糖激活,Mg2+激活,六、丙酮酸的去路糖酵解生成的终产物丙酮酸如何进一步分解代谢，其去路关键取决于氧的有无。在无氧条件下，丙酮酸不能进一步氧

40、化，只能进行乳酸发酵或酒精发酵而生成为乳酸或乙醇。在有氧条件下，丙酮酸先氧化脱羧生成乙酰 CoA，再经三羧酸循环和电子传递链彻底氧化为 CO2 和 H2O，并产生是糖酵解许多倍的 ATP。,丙酮酸的去路,（有氧）,（无氧）,（1）丙酮酸形成乙酰辅酶A 丙酮酸在有氧状态下，进入线粒体中，丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA进入三羧酸循环，进而氧化生成CO2和H2O，同时NADH+H+等可经呼吸链传递，伴随氧化磷酸化过程生成H2O和ATP。丙酮酸NAD+CoASH 乙酰-CoA CO2NADH H+,丙酮酸的有氧氧化及葡萄糖的有氧分解,（EPM）,葡萄糖,丙酮酸脱氢酶系,（2）丙酮酸在无氧条件下生成乳酸

41、氧供应不足时，丙酮酸由乳酸脱氢酶催化转变为乳酸。在许多种厌氧微生物如乳酸杆菌，或高等生物细胞供氧不足如剧烈运动的肌肉细胞中，丙酮酸被还原为乳酸，反应由乳酸脱氢酶催化，还原剂为 NADH。,在此反应中，EMP 途径中的 3-磷酸甘油醛氧化时所形成的 NADH 在丙酮酸的还原反 应中消耗掉了，使 NAD+得到再生，从而维持糖酵解在无氧条件下继续不断地运转。如果NAD+不能再生，那么糖酵解进行到 3-磷酸甘油醛就不能再向下进行，也就没有 ATP 的产生。葡萄糖转变为乳酸的总反应为：葡萄糖 2Pi 2ADP 2 乳酸 2ATP 2H2O,（3）丙酮酸形成乙醇 在酵母和某些微生物细菌中，丙酮酸可由丙酮酸

42、脱羧酶催化脱羧变成乙醛，该酶需硫 胺素焦磷酸（TPP）为辅酶。乙醛继而在乙醇脱氢酶催化下被 NADH 还原形成乙醇。在乙醛生成乙醇的过程中，NAD+也得到再生，可用于 3-磷酸甘油醛的氧化。,实际上包括2个反应步骤：丙酮酸脱羧形成乙醛和CO2；乙醛由NADH+H还原生成乙醇同时产生氧化型的NAD+。,由葡萄糖转变为乙醇的过程称为酒精发酵。这一无氧过程的净反应为：葡萄糖 2Pi 2ADP 2H+2 乙醇 2CO2 2ATP 2H2O,糖酵解与酵母生醇发酵的比较 糖酵解是因与酵母的生醇发酵过程相似而得名的，但两者的终产物不同，从G到丙酮酸的各步反应两者是一致的，在人体内含有乳酸脱氢酶，使之转变为乳

43、酸为终产物。但酵母中不含此酶，它所含有的是丙酮酸脱羧酶及乙醇脱氢酶，在二者作用下，最终形成乙醇,丙酮酸的无氧降解及葡萄糖的无氧分解,葡萄糖,EMP,糖酵解过程的11个酶 已糖激酶/葡萄糖激酶 磷酸已糖异构酶 磷酸果糖激酶-1 醛缩酶 磷酸丙糖异构酶氢酶 3-磷酸甘油醛脱 3-磷酸甘油酸激酶 磷酸甘油酸变位酶 烯醇化酶 丙酮酸激酶 乳酸脱氢酶,葡萄糖 1 ATP 己糖激酶 ADP 6-磷酸葡萄糖磷酸己糖异构酶 2 6-磷酸果糖 3 ATP 磷酸果糖激酶 ADP 1，6-二磷酸果糖 醛缩酶 4 磷酸丙糖异构酶 523-磷酸甘油醛 磷酸二羟丙酮 2乙醇 磷酸甘油醛 2NAD+2NAD+脱氢酶 6 2

44、NADH+H+2NADH+H+21，3-二磷酸甘油酸 乙醇脱氢酶磷酸甘油 2ADP 丙酮酸脱羧酶酸激酶 7 2ATP 2丙酮酸 2乙醛 23-磷酸甘油酸 9 丙酮酸激酶 2ATP磷酸甘油酸变位酶 8 烯醇化酶 H20 10 2ADP 22-磷酸甘油酸 2磷酸烯醇式丙酮酸,第四节 三羧酸循环 大部分生物的糖分解代谢是在有氧条件下进行，糖的有氧分解实际上是丙酮酸在有氧条件下的彻底氧化，因此无氧酵解和有氧氧化是在丙酮酸生成以后才开始进入不同的途径。,糖的有氧氧化 葡萄糖在有氧条件下，氧化分解生成CO2和 H2O的过程称为糖的有氧氧化。有氧氧化是糖分解代谢的主要方式，大多数组织中的葡萄糖均进行有氧氧化

45、分解供给机体能量。糖的有氧氧化分两个阶段进行。第一阶段是由葡萄糖生成丙酮酸，在细胞液中进行。有氧氧化在线粒体中进行的第二阶段代谢过程包括丙酮酸的氧化脱羧和三羧酸循环。丙酮酸经过三羧酸循环被彻底氧化为 CO2和 H2O，同时释放出大量能量。,三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，简称 TCA 循环）。是在有氧条件下，糖酵解产物丙酮酸氧化脱羧形成乙酰-CoA，乙酰-CoA 通过一个循环被彻底氧化生成H2O和CO2，由于这个循环反应开始于乙酰CoA和草酰乙酸缩合生成的含有三个羧基的柠檬酸，因此称之为三羧酸循环。第一个产物是柠檬酸，又称之为柠檬酸循环。这个循环是英国生物化学家

46、Krebs 于 1937 年提出的，又称Krebs 循环。,三羧酸循环不仅是糖代谢的主要途径，也是蛋白质、脂肪氧化分解代谢的最终途径，该途径在动植物和微生物细胞中普遍存在，具有重要的生理意义。这是生物化学领域中一项经典性成就，为此 Krebs 于1953 年获诺贝尔奖。催化三羧酸循环各步反应的酶类存在于线粒体的基质中，因此三羧酸循环进行的场所是线粒体。,三羧酸循环是有氧代谢的枢纽，糖、脂肪和氨基酸的有氧分解代谢都汇集在三羧酸循环的反应，同时三羧酸循环的中间代谢物又是许多生物合成途径的起点。因此三羧酸循环既是分解代谢途径，又是合成代谢途径，可以说是分解、合成两用途径。,葡萄糖丙酮酸丙酮酸乙酰Co

47、A,CO2+H2O+ATP,三羧酸循环,线粒体内,胞浆,糖有氧氧化概况,糖的有氧氧化,糖的有氧氧化与糖酵解：,葡萄糖丙酮酸乳酸（糖酵解),糖有氧氧化的过程：,第一阶段：糖转变为丙酮酸（在胞液中进行）第二阶段：丙酮酸进入线粒体，在其中氧化 为乙酰CoA第三阶段：乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化（线粒体）,三个 阶段,一、丙酮酸氧化为乙酰辅酶A 丙酮酸在细胞液中不能继续氧化，必须进入线粒体，首先经历氧化脱羧生成乙酰辅酶A，然后进入三羧酸环彻底氧化分解，最后形成CO2和H2O。（一）丙酮酸进入线粒体 丙酮酸可自由进入线粒体外膜，进入内膜时需要内膜上载体蛋白转运。载体蛋白嵌在内膜上，称为丙酮酸转运酶，

48、具有特异性，可将丙酮酸转运至线粒体基质。,（二）丙酮酸脱氢酶复合体 丙酮酸的氧化脱羧是糖酵解产物丙酮酸在有氧条件下，由丙酮酸脱氢酶系催化生成乙酰-CoA 的不可逆反应。乙酰-CoA 可进入三羧酸循环被彻底氧化分解。该反应既脱氢又脱羧，故称氧化脱羧，它本身并不属于三羧酸循环，而是连接糖酵解与三羧酸循环的桥梁与纽带，是丙酮酸进入三羧酸循环的必经之路。,丙酮酸脱氢酶系是一个多酶复合体，位于线粒体内膜上，由三种酶和六种辅助因子组成。三种酶：丙酮酸脱羧酶（E1）、二氢硫辛酸转乙酰酶（E2）、二氢硫辛酸脱氢酶（E3）六种辅助因子：有硫胺素焦磷酸（TPP）、硫辛酸、CoASH、FAD、NAD+、Mg2+。,

49、丙酮酸脱氢酶系催化的反应分五步进行：,NAD+H+,丙酮酸脱羧酶,FAD,硫辛酸乙酰转移酶,二氢硫辛酸脱氢酶,CO2,乙酰硫辛酸,二氢硫辛酸,NAD+H+,TPP,硫辛酸,CoASH,NAD+,丙酮酸脱氢酶复合体是一个调节酶和限速酶。调节物为乙酰辅酶A和NADH。其中：乙酰辅酶A抑制E2活性，NADH抑制E3的活性，抑制效应可被辅酶A和NAD+逆转。另外丙酮酸脱氢酶的磷酸化与脱磷酸化共价修饰调节控制着该酶系的活性，即E1的磷酸化状态没有活性，去磷酸化状态有活性。,（三）丙酮酸在线粒体中的氧化脱羧反应 由丙酮酸脱氢酶复合体所催化的丙酮酸氧化脱羧反应一共分五步进行，各个步骤紧密相联，最终使丙酮酸脱

50、羧转化为乙酰辅酶A，脱下的氢最后交给NAD+转为NADH。反应过程如下：,丙酮酸脱氢酶催化丙酮酸与 TPP 结合，从而发生脱羧反应，产生CO2，同时形成羟乙基-TPP。,二氢硫辛酸转乙酰酶催化，使连在 TPP 上的羟基被氧化，形成乙酰基，并转移到硫辛酸上，形成乙酰二氢硫辛酸，同时放出TPP。,二氢硫辛酰胺转乙酰酶（E2）还催化乙酰硫辛酰胺上的乙酰基转移给CoASH，生成乙酰CoA。,二氢硫辛酰胺脱氢酶（E3）使还原的二氢硫辛酰胺脱氢重新生成硫辛酰胺，以进行下一轮反应。同时将氢传递给FAD，生成FADH2。,还是由二氢硫辛酸脱氢酶催化，将FADH2脱氢氧化，氢被NAD+接受生NADH+H+，完成