生物化学-糖类及其分解代谢.ppt

章糖类及其分解代谢章糖类及其分解代谢医疗器械与食品学院医疗器械与食品学院2021/3/29 星期一1一、糖代谢总论一、糖代谢总论 二、二、生物体内的糖类生物体内的糖类三、双糖和多糖的酶促降解三、双糖和多糖的酶促降解四、糖酵解四、糖酵解五、三羧酸循环五、三羧酸循环六、磷酸戊糖途径六、磷酸戊糖途径内内 容：容：2021/3/29 星期一2一、糖代谢总论一、糖代谢总论l新陈代谢包括新陈代谢包括分解代谢（异化作用）分解代谢（异化作用）和和合成代合成代谢（同化作用）谢（同化作用）。l动物和大多数微生物所需的能量，主要是由糖动物和大多数微生物所需的能量，主要是由糖的分解代谢提供。同时糖分解的中间产物，又的分解代谢提供。同时糖分解的中间产物，又为合成其它的生物分子提供为合成其它的生物分子提供碳源碳源或或碳链骨架碳链骨架。l植物和某些藻类能够利用太阳能，将二氧化碳植物和某些藻类能够利用太阳能，将二氧化碳和水合成糖类化合物，即和水合成糖类化合物，即光合作用光合作用。光合作用光合作用是地球上糖类物质的根本来源。是地球上糖类物质的根本来源。2021/3/29 星期一3糖类：糖类：定义：定义：糖类物质是一类多羟基醛或多羟基酮类糖类物质是一类多羟基醛或多羟基酮类化合物或其衍生物，或水解时能产生这些化合化合物或其衍生物，或水解时能产生这些化合物的物质；物的物质；糖的生物学意义？糖的生物学意义？l 糖的元素组成：糖的元素组成：C、H、O l 大多数糖类化合物可用通式大多数糖类化合物可用通式Cn(H2O)m表示，又表示，又称为碳水化合物称为碳水化合物；这只是一种狭义的理解！这只是一种狭义的理解！糖类物质：鼠李糖及岩藻糖（糖类物质：鼠李糖及岩藻糖（C6H12O5)、脱氧核糖、脱氧核糖（C5H10O4)等；等；非糖类物质：甲醛（非糖类物质：甲醛（CH2O），乙酸（），乙酸（C2H4O2）等；）等；2021/3/29 星期一4糖类化合物糖类化合物单糖单糖寡糖寡糖多糖多糖：不能水解的最简单糖类，是多羟基的不能水解的最简单糖类，是多羟基的醛或酮的衍生物（醛糖或酮糖）醛或酮的衍生物（醛糖或酮糖）：有有210个分子单糖缩合而成，水解个分子单糖缩合而成，水解后产生单糖后产生单糖：由多分子单糖或其衍生物所组成，水由多分子单糖或其衍生物所组成，水解后产生原来的单糖或其衍生物。解后产生原来的单糖或其衍生物。糖类物质可以根据其水解情况分为：糖类物质可以根据其水解情况分为：单糖、单糖、寡糖和多糖寡糖和多糖；在生物体内，糖类物质主要以在生物体内，糖类物质主要以均一多糖、杂多糖、均一多糖、杂多糖、糖蛋白和蛋白聚糖糖蛋白和蛋白聚糖形式存在形式存在。2021/3/29 星期一5根据所含碳原子数目分为丙糖、丁糖、戊糖和己根据所含碳原子数目分为丙糖、丁糖、戊糖和己糖、庚糖。单糖构型由甘油醛和二羟丙酮派生。糖、庚糖。单糖构型由甘油醛和二羟丙酮派生。如所有的醛糖都可看成是由甘油醛的醛基碳下端逐个插入如所有的醛糖都可看成是由甘油醛的醛基碳下端逐个插入C延伸而成。延伸而成。1.1.单糖的结构单糖的结构2021/3/29 星期一6 物理和化学的方法证明，单糖不仅以直链结构存在，物理和化学的方法证明，单糖不仅以直链结构存在，而且以环状结构存在。由于单糖分子中同时存在羰基和羟而且以环状结构存在。由于单糖分子中同时存在羰基和羟基，因而在分子内便能由于生成半缩醛（或半缩酮）而构基，因而在分子内便能由于生成半缩醛（或半缩酮）而构成环。成环。2021/3/29 星期一7重要的己糖包括：葡萄糖、果糖、半乳糖、重要的己糖包括：葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖等。甘露糖等。-D-吡喃葡萄糖吡喃葡萄糖-D-吡喃半乳糖吡喃半乳糖-D-吡喃甘露糖吡喃甘露糖-D-呋喃果糖呋喃果糖2021/3/29 星期一8蔗糖蔗糖2.2.寡糖（二糖）寡糖（二糖）OOOCH2OHCH2OHHOCH2123242021/3/29 星期一9乳乳 糖糖14OCH2OHOCH2OHOHO14123 麦芽糖麦芽糖2021/3/29 星期一10(1)(1)淀粉（分为直链淀粉和支链淀粉）淀粉（分为直链淀粉和支链淀粉）直链淀粉直链淀粉分子量约1万-200万，250-260个葡萄糖分子，以（14）糖苷键聚合而成。呈螺旋结构，遇碘显紫蓝色。3.3.多糖多糖2021/3/29 星期一11支链淀粉支链淀粉中除了（14）糖苷键构成糖链以外，在支点处存在（16）糖苷键，分子量较高。遇碘显紫红色。2021/3/29 星期一12(2)(2)纤维素纤维素由葡萄糖以（14）糖苷键连接而成的直链，不溶于水。(3)(3)几丁质（壳多糖）几丁质（壳多糖）N-乙酰-D-葡萄糖胺，以（14）糖苷键缩合而成的线性均一多糖。比较坚硬，为甲壳动物等的机构材料。2021/3/29 星期一13(4)(4)杂多糖杂多糖果胶物质；糖胺聚糖（粘多糖、氨基多糖等）；含有氨基己糖或乙酰氨基糖；典型代表有：透明质酸 硫酸软骨素2021/3/29 星期一14糖原糖原2021/3/29 星期一15二、双糖和多糖的酶促降解二、双糖和多糖的酶促降解l1.1.概述概述 多糖和寡聚糖只有分解成小分子后才能被吸收利用。生产中常称为糖化糖化。l2.2.蔗糖水解蔗糖水解 植物界中分布最广的双糖，在甘蔗、甜菜和菠萝汁液中含量丰富。蔗糖水解主要有两种酶（P147）：蔗糖合成酶 蔗糖酶2021/3/29 星期一16l3.3.麦芽糖水解麦芽糖水解 麦芽糖酶 植物体中麦芽糖酶与淀粉酶同时存在；l4.4.乳糖水解乳糖水解 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 涉及乳糖不耐症的主要酶；2021/3/29 星期一17l5.5.淀粉淀粉 淀粉是高等植物的贮存多糖，也是人类粮食及动物饲料的重要来源。糖原动物淀粉 酶降解途径：水解，磷酸解淀粉的酶促水解：淀粉的酶促水解：淀粉 糊精 寡糖 麦芽糖 G 水解淀粉的淀粉酶有与与淀粉酶，脱支酶，淀粉酶，脱支酶，麦芽糖酶。麦芽糖酶。2021/3/29 星期一18l-淀粉酶：内切酶，淀粉酶：内切酶，可以水解淀粉(或糖原)中任何部位的-1，4糖键，产物为葡萄糖和麦芽糖，若底物为支链淀粉，还有含-1，6糖苷键的糊精。l-淀粉酶淀粉酶:外切酶，外切酶，只能从非还原端开始水解，以两个糖单位切下来，故水解直链淀粉产物为麦芽糖，水解支链淀粉为麦芽糖和极限糊精。l麦芽糖酶专一水解麦芽糖为两分子葡萄糖；l水解淀粉中的-1，6糖苷键的酶是脱支酶脱支酶（-1-1，6 6糖苷键酶）糖苷键酶）2021/3/29 星期一19还原末端非还原末端-1，4糖苷键-1，6糖苷键2021/3/29 星期一20淀粉的磷酸解淀粉的磷酸解l淀粉磷酸化酶l糖原磷酸化酶细胞壁多糖的酶促降解细胞壁多糖的酶促降解纤维素降解果胶物质降解：原果胶，果胶，果胶酸2021/3/29 星期一21三、糖酵解三、糖酵解1.1.糖酵解途径糖酵解途径(glycolysis)（Embden-Meyerhof-Parnas，EMP）(1)EMP(1)EMP途径的生化历程途径的生化历程2021/3/29 星期一222021/3/29 星期一23糖酵解过程糖酵解过程ab12342021/3/29 星期一241 1）第一阶段：葡萄糖）第一阶段：葡萄糖 1,6-1,6-二磷酸果糖二磷酸果糖2021/3/29 星期一252）第二阶段：）第二阶段：1,6-二磷酸果糖二磷酸果糖 3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛2021/3/29 星期一263 3）第三阶段：）第三阶段：3-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 2-2-磷酸甘磷酸甘油酸油酸2021/3/29 星期一274 4）第四阶段：）第四阶段：2-2-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 丙酮丙酮酸酸2021/3/29 星期一28糖酵解过程中能量的产生糖酵解过程中能量的产生葡萄糖在酵解过程中产生的能量有两种形式：直葡萄糖在酵解过程中产生的能量有两种形式：直接产生接产生ATPATP；生成高能分子；生成高能分子NADHNADH或或FADHFADH2 2，后者在，后者在线粒体呼吸链氧化并产生线粒体呼吸链氧化并产生ATPATP。糖酵解：糖酵解：1 1分子葡萄糖分子葡萄糖 2 2分子丙酮酸，共消分子丙酮酸，共消耗了耗了2 2个个ATPATP，产生了，产生了4 4 个个ATPATP，实际上净生成了，实际上净生成了2 2个个ATPATP，同时产生，同时产生2 2个个NADHNADH。（。（2 2）有氧分解（丙）有氧分解（丙酮酸生成乙酰酮酸生成乙酰CoACoA及三羧酸循环）产生的及三羧酸循环）产生的ATPATP、NADHNADH和和FADHFADH2 2丙酮酸氧化脱羧：丙酮酸丙酮酸氧化脱羧：丙酮酸 乙酰乙酰CoACoA，生成，生成1 1个个NADHNADH。三羧酸循环：乙酰。三羧酸循环：乙酰CoA CoA CO CO2 2和和H H2 2O O，产生一个产生一个GTPGTP（即（即ATPATP）、）、3 3个个NADHNADH和和1 1个个FADHFADH2 2。2021/3/29 星期一29糖酵解在生物体中普遍存在，在无氧及有糖酵解在生物体中普遍存在，在无氧及有氧条件下都能进行。通过糖酵解，生物体氧条件下都能进行。通过糖酵解，生物体获得生命活动所需要的部分能量。获得生命活动所需要的部分能量。糖酵解途径中形成的许多中间产物，可以糖酵解途径中形成的许多中间产物，可以作为合成其他物质的原料。作为合成其他物质的原料。（2）糖酵解过程的意义糖酵解过程的意义2021/3/29 星期一30 在酵解过程中有三个不可逆反应，也在酵解过程中有三个不可逆反应，也就是说有三个调控步骤，分别被三个酶多就是说有三个调控步骤，分别被三个酶多点调节：己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮点调节：己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶。己糖激酶可以控制葡萄糖的进入，酸激酶。己糖激酶可以控制葡萄糖的进入，丙酮酸激酶调节酵解的出口。丙酮酸激酶调节酵解的出口。2021/3/29 星期一312.2.丙酮酸的无氧降解丙酮酸的无氧降解（酵解与厌氧发酵）（酵解与厌氧发酵）（1 1）乳酸发酵乳酸发酵（同型乳酸发酵）（同型乳酸发酵）lactic fermationlactic fermation 动物 乳酸菌（乳杆菌、乳链球菌）G+2ADP+2Pi 2乳酸 2ATP+2水 2021/3/29 星期一32（2 2）酒精发酵（酵母的第）酒精发酵（酵母的第型发酵）型发酵）alcoholic fermationalcoholic fermation2021/3/29 星期一332021/3/29 星期一34四、葡萄糖的有氧分解代谢四、葡萄糖的有氧分解代谢有氧氧化：大多数生物的主要代谢途径EMP pyr TCA 可衍生许多其他物质pyr脱羧 TCA2021/3/29 星期一351.1.丙酮酸氧化脱羧丙酮酸氧化脱羧乙酰乙酰CoACoA的生成的生成n基本反应：基本反应：糖酵解生成的丙酮酸可穿过线粒体膜进入线粒体内室。在丙酮酸脱氢酶系的催化下，生成乙酰辅酶A。2021/3/29 星期一36n n催化酶：催化酶：这一多酶复合体位于线粒体内膜这一多酶复合体位于线粒体内膜上，原核细胞则在胞液中。上，原核细胞则在胞液中。丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系三种酶三种酶六种辅助因子六种辅助因子E1-丙酮酸脱羧酶（也叫丙酮酸脱氢酶）丙酮酸脱羧酶（也叫丙酮酸脱氢酶）E2-硫辛酸乙酰基转移酶硫辛酸乙酰基转移酶E3-二氢硫辛酸脱氢酶。二氢硫辛酸脱氢酶。焦磷酸硫胺素（焦磷酸硫胺素（TPP)、硫辛酸、硫辛酸、COASH、FAD、NAD+、Mg2+2021/3/29 星期一372021/3/29 星期一382.2.乙酰乙酰CoACoA的彻底氧化分解的彻底氧化分解Tricarboxylic acid cycle TCATricarboxylic acid cycle TCAn化学反应历程（9步反应、8种酶）2021/3/29 星期一39三羧酸循环三羧酸循环草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸a-a-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酰琥珀酰辅酶辅酶A A琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸乙酰辅酶乙酰辅酶A A2021/3/29 星期一402021/3/29 星期一41n三羧酸循环过程总结(一次循环)9步反应8种酶催化反应类型n缩合1、脱水1、氧化4、底物水平磷酸化1、水化2生成3分子NADH生成1分子FADH2生成1分子ATPn三羧酸循环总反应式2021/3/29 星期一42n前四步反应为三羧酸反应，后五步为二羧酸反应。n乙酰CoA进入循环，又有两个碳原子以CO2形式离开循环，相当于乙酰CoA的两个碳原子被氧化成CO2n循环中底物上有4对氢原子通过4步氧化反应脱下，其中3对是在异柠檬酸、酮戊二酸及苹果酸氧化时用以还原NAD+，1对是琥珀酸氧化时用以还原FADn由琥珀酰CoA形成琥珀酸时偶联有底物水平磷酸化生成ATPn循环中消耗两分子水，一分子用于合成异柠檬酸，另一分子用于延胡索酸加水。水的加入相当于向中间物加入了氧原子，促进了还原性碳原子的氧化。n三羧酸循环形成的NADH及FADH2在以后被电子传递链氧化。每个NADH生成三个ATP，每个FADH2生成2个ATP，因此一分子乙酰CoA通过TCA循环可生成12分子ATPn分子氧不直接参加到三羧酸循环中，但若无氧，NADH及FADH2不能再生，从而使三羧酸循环不能进行。因此三羧酸循环是严格需要氧的。2021/3/29 星期一43三羧酸循环的生物学意义n1.普遍存在n2.生物体获得能量的最有效方式n3.是糖类、蛋白质、脂肪三大物质转化的枢纽n4.获得微生物发酵产品的途径柠檬酸、谷氨酸2021/3/29 星期一44葡萄糖有氧氧化概况葡萄糖有氧氧化概况2021/3/29 星期一45葡萄糖分解代谢过程中产生的总能量葡萄糖分解代谢过程中产生的总能量糖酵解、丙酮酸氧化脱羧及三羧酸循环生成的糖酵解、丙酮酸氧化脱羧及三羧酸循环生成的NADHNADH和和FADHFADH2 2，进入线粒体呼吸链氧化并生成，进入线粒体呼吸链氧化并生成ATPATP。线粒。线粒体呼吸链是葡萄糖分解代谢产生体呼吸链是葡萄糖分解代谢产生ATPATP的最主要途径。的最主要途径。葡萄糖分解代谢总反应式葡萄糖分解代谢总反应式C C6 6H H6 6O O6 6+6 H+6 H2 2O+10 NADO+10 NAD+2 FAD+4 ADP+4Pi +2 FAD+4 ADP+4Pi 6 CO 6 CO2 2+10 NADH+10 H+10 NADH+10 H+2 FADH+2 FADH2 2+4 ATP +4 ATP 按照一个按照一个NADHNADH能够产生能够产生3 3个个ATPATP，1 1个个FADHFADH2 2能够产生能够产生2 2个个ATPATP计算，计算，1 1分子葡萄糖在分解代谢过程中共产生分子葡萄糖在分解代谢过程中共产生3838个个ATPATP：4 ATP+4 ATP+（10 10 3 3）ATP+ATP+（2 2 2 2）ATP=38 ATPATP=38 ATP2021/3/29 星期一462021/3/29 星期一473.3.丙酮酸羧化支路（回补途径）丙酮酸羧化支路（回补途径）n三羧酸循环不仅是产生ATP的途径，它产生的中间产物也是生物合成的前体。例如卟啉的主要碳原子来自琥珀酰CoA，谷氨酸、天冬氨酸是从-酮戊二酸、草酰乙酸衍生而成。一旦草酰乙酸浓度下降，势必影响三羧酸循环的进行。2021/3/29 星期一48 1.1.丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下形成草酰乙酸，需丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下形成草酰乙酸，需要生物素为辅酶。要生物素为辅酶。2021/3/29 星期一492 2、磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶的催化、磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶的催化下形成草酰乙酸。在大脑和心脏中存在这个反应。下形成草酰乙酸。在大脑和心脏中存在这个反应。2021/3/29 星期一503.3.天冬氨酸及谷氨酸的转氨作用可以形成草天冬氨酸及谷氨酸的转氨作用可以形成草酰乙酸和酰乙酸和-酮戊二酸。异亮氨酸、缬氨酸、酮戊二酸。异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸也会形成琥珀酰苏氨酸和甲硫氨酸也会形成琥珀酰CoACoA。其。其反应将在氨基酸代谢中讲述。反应将在氨基酸代谢中讲述。2021/3/29 星期一51n基本生化途径：关键：柠檬酸进一步降解合成前体原料保证 4.柠檬酸发酵柠檬酸发酵2021/3/29 星期一522021/3/29 星期一53五、戊糖磷酸途径五、戊糖磷酸途径phosphopentose pathway PPP phosphopentose pathway PPP 糖酵解和三羧酸循环是机体内糖分解代谢的主要途径，但不是唯一途径。实验研究也表明：在组织中添加酵解抑制剂如碘乙酸或氟化物等，葡萄糖仍可以被消耗，这说明葡萄糖还有其它的代谢途径。许多组织细胞中都存在有另一种葡萄糖降解途径，即磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway,PPP），也称为磷酸己糖旁路（hexose monophosphate pathway/shunt,HMP）。参与磷酸戊糖途径的酶类都分布在动物细胞浆中，动物体中约有30%的葡萄糖通过此途径分解。2021/3/29 星期一542021/3/29 星期一551.1.磷酸戊糖途径的反应过程磷酸戊糖途径的反应过程n n起始物起始物起始物起始物:G-6-PG-6-Pn n返回代谢产物返回代谢产物返回代谢产物返回代谢产物:3-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛磷酸甘油醛磷酸甘油醛(G-3-P)(G-3-P)n n 6-6-磷酸果糖磷酸果糖磷酸果糖磷酸果糖(F-6-P)(F-6-P)n n重要中间代谢产物重要中间代谢产物重要中间代谢产物重要中间代谢产物:5-5-磷酸核糖和磷酸核糖和磷酸核糖和磷酸核糖和NADPH NADPH n n整个代谢途径在整个代谢途径在整个代谢途径在整个代谢途径在胞液胞液胞液胞液进行。进行。进行。进行。n n关键酶关键酶关键酶关键酶:6-6-磷酸葡萄糖脱氢酶磷酸葡萄糖脱氢酶磷酸葡萄糖脱氢酶磷酸葡萄糖脱氢酶2021/3/29 星期一56（1）G-6-P脱氢脱羧转化成脱氢脱羧转化成5-磷酸核酮糖。磷酸核酮糖。2021/3/29 星期一57（2）磷酸戊糖的异构化）磷酸戊糖的异构化 2021/3/29 星期一58（3）磷酸戊糖通过转酮及转醛反应生成酵解）磷酸戊糖通过转酮及转醛反应生成酵解途径的中间产物途径的中间产物6-磷酸果糖和磷酸果糖和3-磷酸甘油醛。磷酸甘油醛。2021/3/29 星期一592.磷酸戊糖途径的调节磷酸戊糖途径的调节 n 肝脏中的各种戊糖途径的酶中以6-磷酸葡萄糖脱氢酶的活性最低，所以它是戊糖途径的限速酶，催化不可逆反应步骤。其活性受NADP+/NADPH比值的调节，NADPH竞争性抑制6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的活性。机体内NAD+/NADH比NADP+/NADPH的比值要高几个数量级，前者为700，后者为0.014，这使NADHP可以进行有效的反馈抑制调控。只有NADPH在脂肪的生物合成中被消耗时才能解除抑制，再通过6-磷酸葡萄糖脱氢酶产生出NADPH。2021/3/29 星期一60n 非氧化阶段戊糖的转变主要受控于底物浓度。5-磷酸核糖过多时，可转化成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醇进行酵解。2021/3/29 星期一61习题：习题：什么是糖？该如何分类（举例说明）？其生什么是糖？该如何分类（举例说明）？其生物学意义有哪些？物学意义有哪些？淀粉的酶解有哪些形式？各自的产物是什么淀粉的酶解有哪些形式？各自的产物是什么？糖的代谢途径有哪些？各自如何进行代谢？糖的代谢途径有哪些？各自如何进行代谢？2021/3/29 星期一62