糖的生物合成課件

7糖的生物合成7.1光合作用7.2糖異生作用7.3蔗糖和多糖的生物合成7.4植物糖代謝的調(diào)節(jié)糖的生物合成糖的生物合成太陽(yáng)光能是所有生物能的最初來(lái)源糖的生物合成太陽(yáng)能是生物界所利用能量的最根本的來(lái)源。綠色植物利用光合色素吸收光能，在葉綠體內(nèi)經(jīng)一系列酶的催化，將無(wú)機(jī)的CO2和H2O轉(zhuǎn)變成糖類(lèi)，同時(shí)將光能轉(zhuǎn)化成貯存在糖中的化學(xué)能，即光合作用。生物體還可通過(guò)糖異生作用將非糖物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樘?。糖的生物合?.1光合作用(photosynthesis)綠色植物在光下，將CO2和水合成為有機(jī)物并放出O2的過(guò)程稱(chēng)為光合作用。糖的生物合成糖的生物合成葉綠體(chloroplast)糖的生物合成7.1.1光合作用概述在氧化還原反應(yīng)中CO2被還原成糖，H2O被氧化為O2。此過(guò)程不能自發(fā)進(jìn)行。必須供能才能使這一過(guò)程進(jìn)行。糖的生物合成光合作用光反應(yīng)暗反應(yīng)：通過(guò)碳同化途徑將活躍化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)橘A藏的有機(jī)物中穩(wěn)定的化學(xué)能（ATP、NADPH糖）原初反應(yīng)：光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換（光→電）光合電子傳遞和光合磷酸化（電→活躍的化學(xué)能，ATP、NADPH）糖的生物合成糖的生物合成7.1.2光能的吸收、轉(zhuǎn)變和同化力產(chǎn)生7.1.2.1光合色素和光化學(xué)反應(yīng)①光合色素高等植物葉綠體中含有葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素兩類(lèi)色素。葉綠素類(lèi)：葉綠素a（chlorophylla）、葉綠素b糖的生物合成糖的生物合成類(lèi)胡蘿卜素類(lèi)：胡蘿卜素（carotene）、葉黃素（xanthophyll）色素分子與葉綠體類(lèi)囊體膜上的蛋白質(zhì)形成色素蛋白復(fù)合物，完成對(duì)光能的吸收、傳遞和光化學(xué)反應(yīng)。糖的生物合成根據(jù)色素的作用可將其分為天線(xiàn)色素(輔助色素)和作用中心色素。天線(xiàn)色素(antennapigment)包括全部葉綠素b、類(lèi)胡蘿卜素和大部分葉綠素a，它們只能吸收光能并傳遞到作用中心色素分子。糖的生物合成作用中心色素(reactioncenterpigment)是具有特殊狀態(tài)和光化學(xué)活性的少數(shù)葉綠素a分子，可利用光能產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)變成電能。糖的生物合成②光化學(xué)反應(yīng)作用中心色素分子被光激發(fā)后引起電荷的分離和能量的轉(zhuǎn)換。作用中心（reactioncenter）是葉綠體進(jìn)行光合作用原初反應(yīng)的最基本的色素蛋白結(jié)構(gòu)，它至少包括一個(gè)作用中心色素分子（P），一個(gè)原初電子受體（A），一個(gè)原初電子供體（D）。糖的生物合成發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)時(shí)，作用中心色素P接受光能被激發(fā)成激發(fā)態(tài)P*，此時(shí)P*的一個(gè)電子被激發(fā)處于高能軌道，極易失去。P*把1個(gè)電子傳給原初電子受體A，使A變成Aˉ，P*失去電子后回到基態(tài)變成P+，P+對(duì)電子有極大的吸引力，再?gòu)脑蹼娮庸wD得到一個(gè)電子，本身恢復(fù)成P而D變成D+，實(shí)現(xiàn)了電荷的分離。糖的生物合成D+可以從另一電子供體吸收電子，其最終電子供體是H2O。A把電子供給下一個(gè)電子受體，其最終電子受體是NADP+。NADP+得到兩個(gè)電子和H+形成NADPH。因此，吸收的部分光能就轉(zhuǎn)化成NADPH中的活躍的化學(xué)能，將來(lái)用于CO2的固定和還原。糖的生物合成光系統(tǒng)（PhotoreactionSystem)

RobertEmerson和WilliamArnold測(cè)定綠藻細(xì)胞光照后O2的釋放，發(fā)現(xiàn)在充足光照下，每2500個(gè)葉綠素分子放出1分子O2，由此Hansgaffron推測(cè)，幾百個(gè)葉綠素分子吸收光量子后將其匯集到反應(yīng)中心的葉綠素分子參與光反應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能。這種由色素分子裝配成的系統(tǒng)把吸收的光能匯集到光反應(yīng)中心，被稱(chēng)為光系統(tǒng)。糖的生物合成③兩個(gè)光系統(tǒng)PSⅠ：分布于類(lèi)囊體膜外側(cè)，直徑110A°其作用中心色素分子的最大吸收峰在700nm(P700)處，它可還原NADP。PSⅡ：分布于類(lèi)囊體膜內(nèi)側(cè)，直徑175A°其作用中心色素分子的最大吸收峰在680nm(P680)處，它可引起水的光解放出氧氣，并將電子傳遞給PSⅠ。糖的生物合成類(lèi)囊體膜上的光系統(tǒng)糖的生物合成7.1.2.2光合電子傳遞鏈(photosyntheticchain)兩個(gè)光系統(tǒng)被光激發(fā)以后引起電子由水出發(fā)經(jīng)過(guò)PSⅠ、PSⅡ及連接兩個(gè)光系統(tǒng)的電子載體，最終傳遞給NADP的串聯(lián)通路。把電子載體按氧化還原電位(E0')排列起來(lái)形狀像Z，又稱(chēng)為Z鏈。糖的生物合成光合鏈成員：PQ、Cytb559、Cytf、PC、Fd等排列：Z鏈?zhǔn)前措娮觽鬟f體的生物氧化還原電勢(shì)排列的。兩個(gè)光系統(tǒng)以串聯(lián)的方式共同完成電子的傳遞，其電子的最終供體是水，最終受體是NADP。即電子從水傳向NADP。糖的生物合成光合電子傳遞鏈糖的生物合成電子傳遞過(guò)程是電子遞體之間的一系列氧化還原反應(yīng)。有環(huán)式光合電子傳遞和非環(huán)式光合電子傳遞兩種方式。電子傳遞的結(jié)果是把光能變成電能，又變成了NADPH中的活躍的化學(xué)能。同時(shí)在電子傳遞過(guò)程中還偶聯(lián)ATP的產(chǎn)生。光合作用中通過(guò)電子傳遞形成NADPH和ATP，稱(chēng)之為同化力，用于卡爾文循環(huán)中CO2的固定和還原。糖的生物合成7.1.2.3光合磷酸化(photosyntheticphosphorylation)光合磷酸化：葉綠體利用光能使ADP和Pi生成ATP的反應(yīng)。⑴光合磷酸化的類(lèi)型光合磷酸化可分為非環(huán)式光合磷酸化和環(huán)式光合磷酸化。糖的生物合成①非環(huán)式光合磷酸化：電子由水出發(fā)經(jīng)過(guò)PSⅡ、Cytb6/f和PSI的傳遞到達(dá)NADP，在傳遞過(guò)程中釋放能量用于A(yíng)DP磷酸化生成ATP，同時(shí)將NADP還原成NADPH，電子傳遞形成一個(gè)開(kāi)放通路。糖的生物合成糖的生物合成②環(huán)式光合磷酸化：PSI經(jīng)光激發(fā)后，電子傳給Fd、Cytb6/f，又經(jīng)PC又回到PSI，形成一個(gè)閉合回路。在電子流動(dòng)過(guò)程中釋放的能量用于形成ATP。不產(chǎn)生NADPH。糖的生物合成糖的生物合成⑵光合磷酸化機(jī)理形成ATP的機(jī)理可以用化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)來(lái)解釋。在電子傳遞過(guò)程中，來(lái)自水的電子還原PQ成PQH2時(shí)，要從葉綠體基質(zhì)中得到兩個(gè)質(zhì)子，而當(dāng)PQH2將電子傳給Cytb6/f時(shí)，要將兩個(gè)質(zhì)子釋放到類(lèi)囊體腔中。糖的生物合成類(lèi)囊體膜對(duì)質(zhì)子的透性極低。因此利用電子傳遞釋放的能量建立了一個(gè)質(zhì)子電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)質(zhì)子通過(guò)ATP合酶從腔中進(jìn)入基質(zhì)時(shí)，就使ADP和Pi形成ATP。糖的生物合成糖的生物合成光合作用的質(zhì)子梯度糖的生物合成7.1.3光合的碳素途徑(卡爾文循環(huán))1946年M.Calvin等用單細(xì)胞綠藻作試驗(yàn)材料，應(yīng)用14C示蹤技術(shù)并結(jié)合紙上層析法，研究了光合作用碳素同化途徑，又稱(chēng)還原的戊糖途徑，也稱(chēng)作卡爾文循環(huán)(Calvincycle)。由于卡爾文在光合作用碳轉(zhuǎn)化途徑上作出了重大貢獻(xiàn)，于1961年獲得諾貝爾獎(jiǎng)?？栁难h(huán)的最初產(chǎn)物為3-磷酸甘油酸，因此，此途徑也稱(chēng)C3-途徑。糖的生物合成光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH是二氧化碳還原的必需底物糖的生物合成Calvincycle可分為三個(gè)階段。①CO2的固定在核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(ribulosebisphosphatecarboxylaseoxygenase，Rubisco)催化下，CO2與核酮糖-1,5-二磷酸(ribulosebisphosphate，RuBP)反應(yīng)生成2分子3-磷酸甘油酸(3-PGA)。糖的生物合成RUBP羧化酶

葉綠體中催化CO2固定的酶是1，5-二磷酸核酮糖羧化酶，或稱(chēng)RUBP羧化酶/加氧酶，縮寫(xiě)為rubisco。

Rubisco是植物光合作用的關(guān)鍵酶，為復(fù)合物，有8個(gè)大亞基（Mr53000），每個(gè)含一個(gè)活性位點(diǎn)；8個(gè)小亞基（Mr14000），功能還不完全清楚。 植物中酶位于葉綠體的基質(zhì)，占葉綠體總蛋白的50%，是生物圈中最豐富的酶。糖的生物合成②羧化產(chǎn)物的還原在激酶催化下3-PGA磷酸化生成1,3-二磷酸甘油酸再被脫氫酶催化還原為3-磷酸甘油醛。反應(yīng)所消耗的ATP和NADPH是來(lái)自光反應(yīng)中所形成的同化力。糖的生物合成③RuBP的再生在一系列轉(zhuǎn)酮酶、轉(zhuǎn)醛酶和異構(gòu)酶催化，經(jīng)10步反應(yīng)使RuBP再生。反應(yīng)及酶類(lèi)似于磷酸戊糖途徑中分子重排階段的逆過(guò)程。糖的生物合成糖的生物合成糖的生物合成光合生物二氧化碳同化的三個(gè)階段固定還原受體再生糖的生物合成CO2+12NADPH+12H++18ATP+12H2O→C6H12O6+12NADP++18ADP+18Pi每同化1分子CO2需3分子ATP和2分子NADPH。糖的生物合成7.1.4C4途徑M.D.Hatch和C.R.Slach發(fā)現(xiàn)某些起源于熱帶的植物如甘蔗、玉米等在光合作用中存在另一種途徑。它形成的光合作用最初產(chǎn)物不是C3化合物，而是四碳二羧酸，因此稱(chēng)之為C4途徑。糖的生物合成C4植物的葉肉結(jié)構(gòu)糖的生物合成在C4植物的葉肉細(xì)胞中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEP羧化酶)催化CO2與PEP縮合形成草酰乙酸。糖的生物合成草酰乙酸在某些植物中被轉(zhuǎn)變成蘋(píng)果酸，或轉(zhuǎn)變成天冬氨酸，然后轉(zhuǎn)入維管束鞘細(xì)胞中進(jìn)行脫羧作用，放出的CO2則進(jìn)入卡爾文循環(huán)。糖的生物合成糖的生物合成7.2糖異生作用(gluconeogenesis)糖異生作用是由非糖前體如丙酮酸、草酰乙酸等合成葡萄糖的過(guò)程。糖的生物合成糖異生作用大體上是糖酵解的逆過(guò)程，但在糖酵解中由己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的反應(yīng)是不可逆的。糖的生物合成7.2.1糖異生途徑7.2.1.1丙酮酸生成PEP①丙酮酸羧化酶催化丙酮酸羧化生成草酰乙酸糖的生物合成丙酮酸需經(jīng)運(yùn)載系統(tǒng)進(jìn)入線(xiàn)粒體后才能羧化成草酰乙酸，草酰乙酸只有在轉(zhuǎn)變?yōu)樘O(píng)果酸后才能再進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。蘋(píng)果酸再經(jīng)胞質(zhì)中的蘋(píng)果酸脫氫酶轉(zhuǎn)變成草酰乙酸，才能進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成PEP。糖的生物合成②PEP羧激酶催化草酰乙酸形成PEPPEP沿酵解途徑逆向反應(yīng)轉(zhuǎn)變成1,6-二磷酸果糖。糖的生物合成7.2.1.21,6-二磷酸果糖轉(zhuǎn)化成6-磷酸果糖二磷酸果糖酯酶是變構(gòu)酶，受AMP、2,6-二磷酸果糖變構(gòu)抑制，但受ATP、檸檬酸變構(gòu)激活。糖的生物合成7.2.1.36-磷酸葡萄糖轉(zhuǎn)化成葡萄糖哺乳動(dòng)物的糖異生作用在肝臟中進(jìn)行；高等植物主要發(fā)生在油料種子萌發(fā)時(shí)脂肪酸氧化產(chǎn)物和甘油向糖的轉(zhuǎn)變。糖的生物合成糖的生物合成7.2.2糖酵解和糖異生的互補(bǔ)調(diào)節(jié)在細(xì)胞中糖異生作用和糖酵解作用相互協(xié)調(diào)、受到很多代謝物的調(diào)控：①高水平的ATP、NADH變構(gòu)抑制磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶，而變構(gòu)地激活二磷酸果糖酯酶。糖的生物合成②Pi、AMP、ADP變構(gòu)激活磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶并變構(gòu)抑制二磷酸果糖酯酶。③ATP/ADP比值高時(shí)EMP途徑關(guān)閉，糖異生打開(kāi)；ATP/ADP比值低時(shí)EMP打開(kāi)，糖異生活性降低。檸檬酸起類(lèi)似的作用。糖的生物合成線(xiàn)粒體糖異生途徑酵解途徑糖的生物合成7.3蔗糖和多糖的生物合成7.3.1糖核苷酸的作用葡萄糖和果糖不能直接合成寡糖和多糖，必需經(jīng)活化變成活化葡萄糖（UDPG、ADPG、GDPG）才能參與反應(yīng)。糖的生物合成7.3.2蔗糖的生物合成高等植物合成蔗糖的途徑有兩條①蔗糖合成酶催化的合成途徑UDPG+果糖蔗糖+UDP該途徑主要是起蔗糖分解的作用，在貯藏器官中主要起分解蔗糖產(chǎn)生UDPG，用于淀粉的合成：蔗糖+UDP→UDPG

淀粉糖的生物合成②磷酸蔗糖合成酶催化的合成途徑UDPG+F-6-P

磷酸蔗糖+UDP光合組織中磷酸蔗糖合成酶活性高。在磷酸蔗糖磷酸酶的催化下，磷酸蔗糖水解生成蔗糖。磷酸蔗糖+H2O→蔗糖+Pi糖的生物合成由于磷酸蔗糖合成酶的活性較大，平衡常數(shù)有利蔗糖合成，而且磷酸蔗糖合成酶存在量大，所以一般認(rèn)為此途徑是植物合成蔗糖的主要途徑。糖的生物合成③蔗糖磷酸化酶催化的途徑（微生物中）G-1-P+果糖蔗糖+Pi糖的生物合成糖的生物合成7.3.3淀粉(糖原)的合成淀粉是植物的貯存多糖。糖原是高等動(dòng)物的貯存多糖。淀粉和糖原雖然在結(jié)構(gòu)上復(fù)雜程度不同，但它們的生物合成的基本點(diǎn)是相似的；直鏈的增長(zhǎng)是在原有直鏈上逐步增加葡萄糖殘基，支鏈的增多是把直鏈的一部分拆下來(lái)裝配成側(cè)枝。糖的生物合成7.3.3.1淀粉的合成光合作用旺盛時(shí)，葉綠體可直接合成和累積淀粉；非光合組織也可利用葡萄糖合成或通過(guò)蔗糖轉(zhuǎn)化成淀粉。淀粉的生物合成有不同的途徑，分別由不同的酶來(lái)催化，每一種酶有各自的引物（受體）和葡萄糖供體，每次反應(yīng)都都是由供體把其上的葡萄糖基轉(zhuǎn)移到引物上，使引物質(zhì)鏈加長(zhǎng)一個(gè)葡萄糖單位，如此反復(fù)便可合成多聚葡萄糖鏈。糖的生物合成⑴直鏈淀粉的合成①淀粉磷酸化酶淀粉磷酸化酶廣泛存在于動(dòng)物、植物、酵母和某些細(xì)菌中。由于細(xì)胞內(nèi)Pi含量較高，故反應(yīng)往往向分解淀粉的方向進(jìn)行。G-1-P+引物（nG）→（n+1）G+Pin3葡萄糖C1被磷酸化，因此所轉(zhuǎn)移來(lái)的葡萄糖是加在引物鏈的C4非還原末端羥基上。糖的生物合成②D酶（加成酶，糖苷轉(zhuǎn)移酶）D-酶是一種糖苷轉(zhuǎn)移酶，作用于

-1,4-糖苷鍵上。供體最小是麥芽三糖，受體也同樣，它能將供本脫下一分子葡萄糖的殘余段轉(zhuǎn)移到麥芽糖或其它

-1,4-鍵的多糖上，起著加成作用，形成淀粉合成中的“引物”。糖的生物合成③淀粉合成酶（ADPG葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶）淀粉合成酶主要以ADPG作為葡萄糖基供體。引物最小是麥芽糖，每次反應(yīng)將ADPG的G加在引物的非還原性末端。淀粉合成酶在植物體分布廣泛，活性高（是UDPG轉(zhuǎn)G酶的3~10倍），是合成淀粉的主要途徑。ADPG+引物(nG)→淀粉[(n+1)G]+ADP糖的生物合成糖的生物合成UDPG葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶該酶的葡萄糖供體是UDPG，受體最小是麥芽糖。糖的生物合成④蔗糖轉(zhuǎn)化為淀粉光合組織合成的糖轉(zhuǎn)化成蔗糖運(yùn)輸?shù)椒枪夂辖M織，在非光合器官中蔗糖再轉(zhuǎn)化為淀粉。糖的生物合成糖的生物合成⑵支鏈淀粉的合成支鏈淀粉除含有

-1,4鍵外，還有

-1,6糖苷鍵。支鏈淀粉是在淀粉合成酶和1,4--葡聚糖分支酶(Q酶)共同作用下生成的。淀粉合成酶催化葡萄糖以

-1,4鍵結(jié)合。糖的生物合成1,4--葡聚糖分支酶可從直鏈淀粉的非還原端拆開(kāi)一個(gè)低聚糖片段，并將其轉(zhuǎn)移到毗鄰的直鏈片段的非末端殘基上，并以

-1,6鍵與之相連，即形成一個(gè)分支。

1,6糖苷鍵可在分子間形成，也可分子內(nèi)形成。糖的生物合成7.3.3.2糖原的生物合成動(dòng)物肌肉和肝臟中的糖原的合成與植物淀粉合成的機(jī)制相似，但動(dòng)物有自身特殊的糖原合成酶，另外葡萄糖供體為UDPG。動(dòng)物糖原分支要比植物支鏈淀粉多。糖原的分支主要由分支酶催化形成

-1,6鍵。植物體內(nèi)也有分支程度比一般淀粉(分支5％)高的植物糖原(分支10％)，其合成需要一種支鏈淀粉分支糖基轉(zhuǎn)移酶。糖的生物合成動(dòng)物消化淀粉成6-磷酸葡萄糖，再將