生物化學(xué)-糖類及其分解代謝

1、管驍管驍上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院 一、糖代謝總論一、糖代謝總論 二、二、生物體內(nèi)的糖類生物體內(nèi)的糖類 三、雙糖和多糖的酶促降解三、雙糖和多糖的酶促降解 四、糖酵解四、糖酵解 五、三羧酸循環(huán)五、三羧酸循環(huán) 六、磷酸戊糖途徑六、磷酸戊糖途徑一、糖代謝總論一、糖代謝總論l新陳代謝包括新陳代謝包括分解代謝（異化作用）分解代謝（異化作用）和和合成代合成代謝（同化作用）謝（同化作用）。l動(dòng)物和大多數(shù)微生物所需的能量，主要是由糖動(dòng)物和大多數(shù)微生物所需的能量，主要是由糖的分解代謝提供。同時(shí)糖分解的中間產(chǎn)物，又的分解代謝提供。同時(shí)糖分解的中間產(chǎn)物，又為合成其它的生物分子提供為合成其它的生物分子提供碳源碳源

2、或或碳鏈骨架碳鏈骨架。l植物和某些藻類能夠利用太陽能，將二氧化碳植物和某些藻類能夠利用太陽能，將二氧化碳和水合成糖類化合物，即和水合成糖類化合物，即光合作用光合作用。光合作用光合作用是地球上糖類物質(zhì)的根本來源。是地球上糖類物質(zhì)的根本來源。 定義：定義：糖類物質(zhì)是一類多羥基醛或多羥基酮類糖類物質(zhì)是一類多羥基醛或多羥基酮類化合物或其衍生物，或水解時(shí)能產(chǎn)生這些化合化合物或其衍生物，或水解時(shí)能產(chǎn)生這些化合物的物質(zhì)；物的物質(zhì)； 糖的生物學(xué)意義？糖的生物學(xué)意義？l 糖的元素組成：糖的元素組成：C、H、O l 大多數(shù)糖類化合物可用通式大多數(shù)糖類化合物可用通式Cn(H2O)m表示，又稱表示，又稱為碳水化合物為

3、碳水化合物；這只是一種狹義的理解！這只是一種狹義的理解！ 糖類物質(zhì)：鼠李糖及巖藻糖（糖類物質(zhì)：鼠李糖及巖藻糖（C6H12O5)、脫氧核糖、脫氧核糖（C5H10O4)等；等；非糖類物質(zhì)：甲醛（非糖類物質(zhì)：甲醛（CH2O），乙酸（），乙酸（C2H4O2）等；）等；糖類化合物糖類化合物單糖單糖寡糖寡糖多糖多糖：不能水解的最簡(jiǎn)單糖類，是多羥基的不能水解的最簡(jiǎn)單糖類，是多羥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個(gè)分子單糖縮合而成，水解個(gè)分子單糖縮合而成，水解后產(chǎn)生單糖后產(chǎn)生單糖：由多分子單糖或其衍生物所組成，水由多分子單糖或其衍生物所組成，水解后產(chǎn)生原來的單糖或其衍生物

4、。解后產(chǎn)生原來的單糖或其衍生物。 糖類物質(zhì)可以根據(jù)其水解情況分為：糖類物質(zhì)可以根據(jù)其水解情況分為：?jiǎn)翁?、單糖、寡糖和多糖寡糖和多糖?在生物體內(nèi)，糖類物質(zhì)主要以在生物體內(nèi)，糖類物質(zhì)主要以均一多糖、雜多糖、均一多糖、雜多糖、糖蛋白和蛋白聚糖糖蛋白和蛋白聚糖形式存在形式存在。 根據(jù)所含碳原子數(shù)目分為丙糖、丁糖、戊糖和己根據(jù)所含碳原子數(shù)目分為丙糖、丁糖、戊糖和己糖、庚糖。單糖構(gòu)型由甘油醛和二羥丙酮派生。糖、庚糖。單糖構(gòu)型由甘油醛和二羥丙酮派生。 如所有的醛糖都可看成是由甘油醛的醛基碳下端逐個(gè)插入如所有的醛糖都可看成是由甘油醛的醛基碳下端逐個(gè)插入C延伸而成。延伸而成。CCCH2OHHOOHHCCCH2

5、OHHOHHOmirror planL- glyceraldehydeD- glyceraldehydeCHOCOHHCHHOCOHHCOHHCH2OHCCCC2C1OHOHHOHHOHHOHC6H2OHH123456CCCC2C1OHOHOHHHOHHOHC6H2OHH -D-Glucose -D-Glucose 物理和化學(xué)的方法證明，單糖不僅以直鏈結(jié)構(gòu)存在，物理和化學(xué)的方法證明，單糖不僅以直鏈結(jié)構(gòu)存在，而且以環(huán)狀結(jié)構(gòu)存在。由于單糖分子中同時(shí)存在羰基和羥而且以環(huán)狀結(jié)構(gòu)存在。由于單糖分子中同時(shí)存在羰基和羥基，因而在分子內(nèi)便能由于生成半縮醛（或半縮酮）而構(gòu)基，因而在分子內(nèi)便能由于生成半縮醛（或半

6、縮酮）而構(gòu)成環(huán)。成環(huán)。 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。OOHHHHOHOHHOHHOHOOHHHOHHOHHOHHOHOO HO HHHOHO HHHHO HOO HHOHO HHHOHO H -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 蔗糖蔗糖OOOCH2OHCH2OHHOCH212324OCH2OHOHOHOHCH2OHOHOHCH2OHCH2OHOHOHOOHOHOHCH2OHOH14OCH2OHOCH2OHOHO14123(1)(1)淀粉（分為直鏈淀粉和支鏈

7、淀粉）淀粉（分為直鏈淀粉和支鏈淀粉） 直鏈淀粉直鏈淀粉分子量約1萬-200萬，250-260個(gè)葡萄糖分子，以（14）糖苷鍵聚合而成。呈螺旋結(jié)構(gòu)，遇碘顯紫藍(lán)色。 支鏈淀粉支鏈淀粉中除了（14）糖苷鍵構(gòu)成糖鏈以外，在支點(diǎn)處存在（16）糖苷鍵，分子量較高。遇碘顯紫紅色。(2)(2)纖維素纖維素 由葡萄糖以（14）糖苷鍵連接而成的直鏈，不溶于水。(3)(3)幾丁質(zhì)（殼多糖）幾丁質(zhì)（殼多糖） N-乙酰-D-葡萄糖胺，以（14）糖苷鍵縮合而成的線性均一多糖。比較堅(jiān)硬，為甲殼動(dòng)物等的機(jī)構(gòu)材料。(4)(4)雜多糖雜多糖 果膠物質(zhì)； 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

8、明質(zhì)酸 硫酸軟骨素二、雙糖和多糖的酶促降解二、雙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。生產(chǎn)中常稱為糖化糖化。l2. 2. 蔗糖水解蔗糖水解 植物界中分布最廣的雙糖，在甘蔗、甜菜和菠蘿汁液中含量豐富。蔗糖水解主要有兩種酶（P147）： 蔗糖合成酶 蔗糖酶l3.3.麥芽糖水解麥芽糖水解 麥芽糖酶 植物體中麥芽糖酶與淀粉酶同時(shí)存在； l4. 4. 乳糖水解乳糖水解 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 涉及乳糖不耐癥的主要酶；l5.5.淀粉淀粉 淀粉是高等植物的貯存多糖，也是人類糧食及動(dòng)物飼料的重要來源。 糖原動(dòng)物淀粉 酶降解途徑：水解，磷酸解淀粉的酶促水解：淀粉的酶

9、促水解： 淀粉 糊精 寡糖 麥芽糖 G 水解淀粉的淀粉酶有與與淀粉酶，脫支酶，淀粉酶，脫支酶，麥芽糖酶。麥芽糖酶。l-淀粉酶：內(nèi)切酶，淀粉酶：內(nèi)切酶，可以水解淀粉(或糖原)中任何部位的-1，4糖鍵，產(chǎn)物為葡萄糖和麥芽糖，若底物為支鏈淀粉，還有含-1，6糖苷鍵的糊精。l-淀粉酶淀粉酶: :外切酶，外切酶，只能從非還原端開始水解，以兩個(gè)糖單位切下來，故水解直鏈淀粉產(chǎn)物為麥芽糖，水解支鏈淀粉為麥芽糖和極限糊精。l麥芽糖酶專一水解麥芽糖為兩分子葡萄糖；l水解淀粉中的-1，6糖苷鍵的酶是脫支酶脫支酶（-1-1，6 6糖苷鍵酶）糖苷鍵酶）還原末端非還原末端-1，4糖苷鍵-1，6糖苷鍵淀粉的磷酸解淀粉的磷酸

10、解l淀粉磷酸化酶l糖原磷酸化酶細(xì)胞壁多糖的酶促降解細(xì)胞壁多糖的酶促降解纖維素降解果膠物質(zhì)降解：原果膠，果膠，果膠酸三、糖酵解三、糖酵解 糖酵解途徑糖酵解途徑(glycolysis) （Embden-Meyerhof-Parnas，EMP）(1) EMP(1) EMP途徑的生化歷程途徑的生化歷程糖酵解過程糖酵解過程a6-磷酸葡萄糖葡萄糖果糖6-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮3-磷酸甘油酸磷酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸b1234糖原1-磷酸葡萄糖1 1）第一階段：葡萄糖）第一階段：葡萄糖 1, 6-1, 6-二磷酸果糖二磷酸果糖OCH2OHOHOHOH

11、OHHHHHMgOCH2OPO3H2OHOHOHOHHHHH己糖磷酸激酶葡萄糖6磷酸葡萄糖HOH磷酸己糖異構(gòu)酶6-磷酸果糖H2O3POHOHOHCH2OHCH2OH2O3POHOHOHCH2OPO3H2CH2OOHHHOHOHCH2OHCH2OHOOHH磷酸果糖激酶己糖激酶ATPADPMgATPADPATPADPMg果糖1,6-二磷酸果糖2）第二階段：）第二階段：1, 6-二磷酸果糖二磷酸果糖 3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛1,6-二磷酸果糖HOHH2O3POHOHOHCH2OPO3H2CH2OCH2OPO3H2CCH2OHOCH2OPO3H2CHOHCHO磷酸二羥丙酮3磷酸甘油醛磷酸丙糖異構(gòu)酶96

12、4醛縮酶3 3）第三階段：）第三階段：3-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 2-2-磷酸甘磷酸甘油酸油酸3磷酸甘油醛CH2OPO3H2CHOHCHOCH2OPO3H2CHOHCOPO3H2ONAD+NADH + H+1,3-二磷酸甘油酸CH2OPO3H2CHOHCOHOADP A TPMg磷酸甘油酸激酶CH2OHCHOPO3H2COHO3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸變位酶4 4）第四階段：）第四階段：2-2-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 丙丙酮酸酮酸2-磷酸甘油酸C H2O HC H O PO3H2C O HOC H2C O PO3H2C O HO烯醇化酶M g+2磷酸烯醇式丙酮酸C O HOC

13、H O HC H2C O O HCC H3OA D P AT P2M g+丙酮酸激酶烯醇式丙酮酸丙酮酸糖酵解過程中能量的產(chǎn)生糖酵解過程中能量的產(chǎn)生葡萄糖在酵解過程中產(chǎn)生的能量有兩種形式：直葡萄糖在酵解過程中產(chǎn)生的能量有兩種形式：直接產(chǎn)生接產(chǎn)生ATPATP；生成高能分子；生成高能分子NADHNADH或或FADHFADH2 2，后者在，后者在線粒體呼吸鏈氧化并產(chǎn)生線粒體呼吸鏈氧化并產(chǎn)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個(gè)個(gè)ATPATP，產(chǎn)生了，產(chǎn)生了4 4 個(gè)個(gè)ATPATP，實(shí)際上凈生成了，實(shí)際上凈生成了2 2個(gè)個(gè)ATPA

14、TP，同時(shí)產(chǎn)生，同時(shí)產(chǎn)生2 2個(gè)個(gè)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及三羧酸循環(huán)）產(chǎn)生的及三羧酸循環(huán)）產(chǎn)生的ATPATP、NADHNADH和和FADHFADH2 2丙酮酸氧化脫羧：丙酮酸丙酮酸氧化脫羧：丙酮酸 乙酰乙酰CoACoA，生成，生成1 1個(gè)個(gè)NADHNADH。三羧酸循環(huán)：乙酰。三羧酸循環(huán)：乙酰CoA CoA CO CO2 2和和H H2 2O O，產(chǎn)生一個(gè)產(chǎn)生一個(gè)GTPGTP（即（即ATPATP）、）、3 3個(gè)個(gè)NADHNADH和和1 1個(gè)個(gè)FADHFADH2 2。糖酵解在生物體中普遍存在，在無氧及有糖酵解在生物體中普遍存在

15、，在無氧及有氧條件下都能進(jìn)行。通過糖酵解，生物體氧條件下都能進(jìn)行。通過糖酵解，生物體獲得生命活動(dòng)所需要的部分能量。獲得生命活動(dòng)所需要的部分能量。糖酵解途徑中形成的許多中間產(chǎn)物，可以糖酵解途徑中形成的許多中間產(chǎn)物，可以作為合成其他物質(zhì)的原料。作為合成其他物質(zhì)的原料。 在酵解過程中有三個(gè)不可逆反應(yīng)，也在酵解過程中有三個(gè)不可逆反應(yīng)，也就是說有三個(gè)調(diào)控步驟，分別被三個(gè)酶多就是說有三個(gè)調(diào)控步驟，分別被三個(gè)酶多點(diǎn)調(diào)節(jié)：己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮點(diǎn)調(diào)節(jié)：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進(jìn)入，酸激酶。己糖激酶可以控制葡萄糖的進(jìn)入，丙酮酸激酶調(diào)節(jié)酵解的出口。丙酮酸激酶調(diào)節(jié)酵解的出口

16、。2. 2. 丙酮酸的無氧降解丙酮酸的無氧降解（酵解與厭氧發(fā)酵）（酵解與厭氧發(fā)酵）（1 1） 乳酸發(fā)酵乳酸發(fā)酵（同型乳酸發(fā)酵）（同型乳酸發(fā)酵）lactic fermationlactic fermation 動(dòng)物 乳酸菌（乳桿菌、乳鏈球菌）G +2ADP+ 2Pi 2乳酸 2ATP+2水 （2 2）酒精發(fā)酵（酵母的第）酒精發(fā)酵（酵母的第型發(fā)酵）型發(fā)酵） alcoholic fermationalcoholic fermation四、葡萄糖的有氧分解代謝四、葡萄糖的有氧分解代謝有氧氧化： 大多數(shù)生物的主要代謝途徑EMP pyr TCA 可衍生許多其他物質(zhì)pyr脫羧 TCAn基本反應(yīng)：基本反應(yīng)：

17、糖酵解生成的丙酮酸可穿過線粒體膜進(jìn)入線粒體內(nèi)室。在丙酮酸脫氫酶系的催化下，生成乙酰輔酶A。 這一多酶復(fù)合體位于線粒體內(nèi)膜這一多酶復(fù)合體位于線粒體內(nèi)膜上，原核細(xì)胞則在胞液中。上，原核細(xì)胞則在胞液中。丙酮酸脫氫酶系丙酮酸脫氫酶系三種酶三種酶六種輔助因子六種輔助因子E1-丙酮酸脫羧酶（也叫丙酮酸脫氫酶）丙酮酸脫羧酶（也叫丙酮酸脫氫酶）E2-硫辛酸乙?；D(zhuǎn)移酶硫辛酸乙?；D(zhuǎn)移酶E3-二氫硫辛酸脫氫酶。二氫硫辛酸脫氫酶。焦磷酸硫胺素（焦磷酸硫胺素（TPP)、硫辛酸、硫辛酸、COASH、FAD、NAD+、Mg2+n化學(xué)反應(yīng)歷程（9步反應(yīng)、8種酶）三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)草酰乙酸草酰乙酸檸檬酸檸檬酸異檸檬酸異檸

18、檬酸a-a-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酰琥珀酰輔酶輔酶A A琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸蘋果酸蘋果酸乙酰輔酶乙酰輔酶A An三羧酸循環(huán)過程總結(jié)(一次循環(huán))9步反應(yīng)8種酶催化反應(yīng)類型n縮合1、脫水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三羧酸循環(huán)總反應(yīng)式n前四步反應(yīng)為三羧酸反應(yīng)，后五步為二羧酸反應(yīng)。n乙酰CoA進(jìn)入循環(huán)，又有兩個(gè)碳原子以CO2形式離開循環(huán)，相當(dāng)于乙酰CoA的兩個(gè)碳原子被氧化成CO2n循環(huán)中底物上有4對(duì)氫原子通過4步氧化反應(yīng)脫下，其中3對(duì)是在異檸檬酸、酮戊二酸及蘋果酸氧化時(shí)用以還原NAD+，1對(duì)是琥珀酸氧化時(shí)用以還原FADn由琥珀酰Co

19、A形成琥珀酸時(shí)偶聯(lián)有底物水平磷酸化生成ATPn循環(huán)中消耗兩分子水，一分子用于合成異檸檬酸，另一分子用于延胡索酸加水。水的加入相當(dāng)于向中間物加入了氧原子，促進(jìn)了還原性碳原子的氧化。n三羧酸循環(huán)形成的NADH及FADH2在以后被電子傳遞鏈氧化。每個(gè)NADH生成三個(gè)ATP，每個(gè)FADH2生成2個(gè)ATP，因此一分子乙酰CoA通過TCA循環(huán)可生成12分子ATPn分子氧不直接參加到三羧酸循環(huán)中，但若無氧，NADH及FADH2不能再生，從而使三羧酸循環(huán)不能進(jìn)行。因此三羧酸循環(huán)是嚴(yán)格需要氧的。三羧酸循環(huán)的生物學(xué)意義n1.普遍存在n2.生物體獲得能量的最有效方式n3.是糖類、蛋白質(zhì)、脂肪三大物質(zhì)轉(zhuǎn)化的樞紐n4.

20、獲得微生物發(fā)酵產(chǎn)品的途徑檸檬酸、谷氨酸葡萄糖有氧氧化概況葡萄糖有氧氧化概況葡萄糖分解代謝過程中產(chǎn)生的總能量葡萄糖分解代謝過程中產(chǎn)生的總能量糖酵解、丙酮酸氧化脫羧及三羧酸循環(huán)生成的糖酵解、丙酮酸氧化脫羧及三羧酸循環(huán)生成的NADHNADH和和FADHFADH2 2 ，進(jìn)入線粒體呼吸鏈氧化并生成，進(jìn)入線粒體呼吸鏈氧化并生成ATPATP。線粒。線粒體呼吸鏈?zhǔn)瞧咸烟欠纸獯x產(chǎn)生體呼吸鏈?zhǔn)瞧咸烟欠纸獯x產(chǎn)生ATPATP的最主要途徑。的最主要途徑。葡萄糖分解代謝總反應(yīng)式葡萄糖分解代謝總反應(yīng)式C C6 6H H6 6O O6 6 + 6 H + 6 H2 2O + 10 NADO + 10 NAD+ + +

21、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 按照一個(gè)按照一個(gè)NADHNADH能夠產(chǎn)生能夠產(chǎn)生3 3個(gè)個(gè)ATPATP，1 1個(gè)個(gè)FADHFADH2 2能夠產(chǎn)生能夠產(chǎn)生2 2個(gè)個(gè)ATPATP計(jì)算，計(jì)算，1 1分子葡萄糖在分解代謝過程中共產(chǎn)生分子葡萄糖在分解代謝過程中共產(chǎn)生3838個(gè)個(gè)ATPATP：4 ATP +4 ATP +（10 10 3 3）ATP + ATP + （2 2 2 2）

22、ATP = 38 ATPATP = 38 ATPn三羧酸循環(huán)不僅是產(chǎn)生ATP的途徑，它產(chǎn)生的中間產(chǎn)物也是生物合成的前體。例如卟啉的主要碳原子來自琥珀酰CoA，谷氨酸、天冬氨酸是從-酮戊二酸、草酰乙酸衍生而成。一旦草酰乙酸濃度下降，勢(shì)必影響三羧酸循環(huán)的進(jìn)行。 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，需要生物素為輔酶。要生物素為輔酶。 2 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。在大腦和心臟中存在這個(gè)反應(yīng)。下形成草酰乙酸。在大腦和心臟中存在這個(gè)反應(yīng)。3.3.天冬氨酸及谷

23、氨酸的轉(zhuǎn)氨作用可以形成草天冬氨酸及谷氨酸的轉(zhuǎn)氨作用可以形成草酰乙酸和酰乙酸和-酮戊二酸。異亮氨酸、纈氨酸、酮戊二酸。異亮氨酸、纈氨酸、蘇氨酸和甲硫氨酸也會(huì)形成琥珀酰蘇氨酸和甲硫氨酸也會(huì)形成琥珀酰CoACoA。其。其反應(yīng)將在氨基酸代謝中講述。反應(yīng)將在氨基酸代謝中講述。n基本生化途徑：關(guān)鍵： 檸檬酸進(jìn)一步降解合成前體原料保證 五、戊糖磷酸途徑五、戊糖磷酸途徑phosphopentose pathway PPP phosphopentose pathway PPP 糖酵解和三羧酸循環(huán)是機(jī)體內(nèi)糖分解代謝的主要途徑，但不是唯一途徑。實(shí)驗(yàn)研究也表明：在組織中添加酵解抑制劑如碘乙酸或氟化物等，葡萄糖仍可以被消耗，這說明葡萄糖還有其它的代謝途徑。