生物化学糖类及其分解代谢

管骁上海理工大学医疗器械与食品学院 一 、 糖 代 谢 总 论 二 、 生 物 体 内 的 糖 类 三 、 双 糖 和 多 糖 的 酶 促 降 解 四 、 糖 酵 解 五 、 三 羧 酸 循 环 六 、 磷 酸 戊 糖 途 径 一 、 糖 代 谢 总 论l 新 陈 代 谢 包 括 分 解 代 谢 （ 异 化 作 用 ） 和 合 成 代谢 （ 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 碳 源 或 碳 链 骨 架 。l 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 光 合 作 用 。 光 合 作 用是 地 球 上 糖 类 物 质 的 根 本 来 源 。 定 义 ： 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 合物 的 物 质 ； 糖 的 生 物 学 意 义 ？l 糖 的 元 素 组 成 ： C、 H、 O l 大 多 数 糖 类 化 合 物 可 用 通 式 Cn(H 2O)m表 示 ， 又 称为 碳 水 化 合 物 ； 这 只 是 一 种 狭 义 的 理 解 ！ 糖 类 物 质 ： 鼠 李 糖 及 岩 藻 糖 （ C6H 12O5)、 脱 氧 核 糖（ C5H 10O4)等 ；非 糖 类 物 质 ： 甲 醛 （ CH 2O） ， 乙 酸 （ C2H 4O2） 等 ； 糖 类 化 合 物 单 糖寡 糖多 糖 ： 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 ）： 有 210个 分 子 单 糖 缩 合 而 成 ， 水 解后 产 生 单 糖： 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 。 糖 类 物 质 可 以 根 据 其 水 解 情 况 分 为 ： 单 糖 、寡 糖 和 多 糖 ； 在 生 物 体 内 ， 糖 类 物 质 主 要 以 均 一 多 糖 、 杂 多 糖 、糖 蛋 白 和 蛋 白 聚 糖 形 式 存 在 。 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 。 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 。 C C CH2OH HO OHH C C CH2OH HO HHO mirror planL- glyceraldehydeD- glyceraldehyde CHOC OHH C HHO C OHH C OHH CH2OH CC C C2 C1 OH OH H OHHOHHOH C6H2OHH 123 45 6 CC C C2 C1 OH OH OH HHOHHOH C6H2OHH -D-Glucose -D-Glucose 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 羟基 ， 因 而 在 分 子 内 便 能 由 于 生 成 半 缩 醛 （ 或 半 缩 酮 ） 而 构成 环 。 重 要 的 己 糖 包 括 ： 葡 萄 糖 、 果 糖 、 半 乳 糖 、甘 露 糖 等 。 O OHHHHOH OHH OH HOH O OHHHOHH OHH OH HOH OOHOHHHOH OH H H H OH O OH HOHOHHHOH OH-D-吡 喃 葡 萄 糖 -D-吡 喃 半 乳 糖 -D-吡 喃 甘 露 糖 -D-呋 喃 果 糖 蔗 糖 OO OCH 2OHCH2OHHOCH2 12324 OCH2OHOHOHOH CH2OHOH OHCH2OH CH2OHOHOH OOH OH OHCH2OH OH1 4 OCH2OH OCH2OH OHO1 4 123 (1)淀 粉 （ 分 为 直 链 淀 粉 和 支 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 。 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 。 (2)纤 维 素 由 葡 萄 糖 以 （ 14） 糖 苷 键 连 接 而 成 的 直 链 ， 不溶 于 水 。(3)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 。 (4)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 二 、 双 糖 和 多 糖 的 酶 促 降 解l 1.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 。l 2. 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 l 3.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 ； l 4. 乳 糖 水 解 -半 乳 糖 苷 酶 涉 及 乳 糖 不 耐 症 的 主 要 酶 ； l 5.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 糊 精 寡 糖 麦 芽 糖 G 水 解 淀 粉 的 淀 粉 酶 有 与 淀 粉 酶 ， 脱 支 酶 ，麦 芽 糖 酶 。 l -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 :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（ -1， 6糖 苷 键 酶 ） 还 原 末 端非 还 原 末 端-1， 4糖 苷 键-1， 6糖 苷 键 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 解纤 维 素 降 解果 胶 物 质 降 解 ： 原 果 胶 ， 果 胶 ， 果 胶 酸 三 、 糖 酵 解1.糖 酵 解 途 径 (glycolysis) （ Embden-Meyerhof-Parnas， EMP）(1) EMP途 径 的 生 化 历 程 糖 酵 解 过 程a 6-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 磷酸二羟丙酮 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 b12 3 4糖原 1-磷酸葡萄糖 1） 第 一 阶 段 ： 葡 萄 糖 1, 6-二 磷 酸 果 糖 OCH 2OHOH OH OH OHH HH HMg OCH 2OPO3H 2OH OH OH OHH HH H 己糖磷酸激酶 葡萄糖 6磷酸葡萄糖 HOH磷酸己糖异构酶 6-磷酸果糖H 2O3PO H OH OHCH 2OHCH 2 OH 2O3PO H OH OHCH 2OPO3H 2CH 2 O OHH H OH OH CH 2OHCH 2 OH O OHH磷酸果糖激酶己糖激酶ATPADP Mg ATPADP ATPADPMg果糖 1,6-二磷酸果糖 2） 第 二 阶 段 ： 1, 6-二 磷 酸 果 糖 3-磷 酸 甘 油 醛 1,6-二磷酸果糖HOHH 2O3PO H OH OHCH 2OPO3H 2CH 2 O CH 2OPO3H 2CCH 2OHO CH 2OPO3H 2CH OHCH O磷酸二羟丙酮3磷酸甘油醛磷酸丙糖异构酶 96 4醛缩酶 3） 第 三 阶 段 ： 3-磷 酸 甘 油 醛 2-磷 酸 甘油 酸 3磷酸甘油醛CH 2OPO3H 2CH OHCH O CH 2OPO3H 2CH OHCOPO3H 2ONAD+NADH + H +1,3-二磷酸甘油酸 CH 2OPO3H 2CH OHCOHOADP A TPMg磷酸甘油酸激酶 CH 2OHCH OPO3H 2COHO 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶 4） 第 四 阶 段 ： 2-二 磷 酸 甘 油 酸 丙酮 酸 2-磷酸甘油酸C H 2O HC H O PO 3H 2C O HO C H 2C O PO 3H 2C O HO 烯醇化酶M g +2磷酸烯醇式丙酮酸 C O HOC H O HC H 2C O O H CC H 3O A D P A TP2M g +丙酮酸激酶 烯醇式丙酮酸 丙酮酸 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 ： 直接 产 生 ATP； 生 成 高 能 分 子 NADH或 FADH2， 后 者 在线 粒 体 呼 吸 链 氧 化 并 产 生 ATP。 糖 酵 解 ： 1分 子 葡 萄 糖 2分 子 丙 酮 酸 ， 共 消耗 了 2个 ATP， 产 生 了 4 个 ATP， 实 际 上 净 生 成 了 2个 ATP， 同 时 产 生 2个 NADH。 （ 2） 有 氧 分 解 （ 丙酮 酸 生 成 乙 酰 CoA及 三 羧 酸 循 环 ） 产 生 的 ATP、NADH和 FADH2 丙 酮 酸 氧 化 脱 羧 ： 丙 酮 酸 乙 酰 CoA， 生 成 1个 NADH。 三 羧 酸 循 环 ： 乙 酰 CoA CO 2和 H2O，产 生 一 个 GTP（ 即 ATP） 、 3个 NADH和 1个 FADH2。 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 以作 为 合 成 其 他 物 质 的 原 料 。 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 ，丙 酮 酸 激 酶 调 节 酵 解 的 出 口 。 2. 丙 酮 酸 的 无 氧 降 解 （ 酵 解 与 厌 氧 发 酵 ）（ 1） 乳 酸 发 酵 （ 同 型 乳 酸 发 酵 ） lactic fermation 动 物 乳 酸 菌 （ 乳 杆 菌 、 乳 链 球 菌 ）G +2ADP+ 2Pi 2乳 酸 2ATP+2水 （ 2） 酒 精 发 酵 （ 酵 母 的 第 型 发 酵 ） alcoholic fermation 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 TCA n 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。 这 一 多 酶 复 合 体 位 于 线 粒 体 内 膜上 ， 原 核 细 胞 则 在 胞 液 中 。丙 酮 酸 脱 氢 酶 系 三 种 酶六 种 辅 助 因 子 E1-丙 酮 酸 脱 羧 酶 （ 也 叫 丙 酮 酸 脱 氢 酶 ）E2-硫 辛 酸 乙 酰 基 转 移 酶E3-二 氢 硫 辛 酸 脱 氢 酶 。焦 磷 酸 硫 胺 素 （ TPP)、 硫 辛 酸 、COASH、 FAD、 NAD+、 Mg2+ n化 学 反 应 历 程 （ 9步 反 应 、 8种 酶 ） 三 羧 酸 循 环草 酰 乙 酸 柠 檬 酸 异 柠 檬 酸a-酮 戊 二 酸琥 珀 酰 辅 酶 A琥 珀 酸延 胡 索 酸苹 果 酸 乙 酰 辅 酶 A n 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 n 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 FADH 2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 。 三 羧 酸 循 环 的 生 物 学 意 义n 1.普 遍 存 在n 2.生 物 体 获 得 能 量 的 最 有 效 方 式n 3.是 糖 类 、 蛋 白 质 、 脂 肪 三 大 物 质 转 化 的 枢 纽n 4.获 得 微 生 物 发 酵 产 品 的 途 径柠 檬 酸 、 谷 氨 酸 葡 萄 糖 有 氧 氧 化 概 况 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 NADH和 FADH2 ， 进 入 线 粒 体 呼 吸 链 氧 化 并 生 成 ATP。 线 粒体 呼 吸 链 是 葡 萄 糖 分 解 代 谢 产 生 ATP的 最 主 要 途 径 。 葡 萄 糖 分 解 代 谢 总 反 应 式 C6H6O6 + 6 H2O + 10 NAD+ + 2 FAD + 4 ADP + 4Pi 6 CO2 + 10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 4 ATP 按 照 一 个 NADH能 够 产 生 3个 ATP， 1个 FADH2能 够 产 生 2个 ATP计 算 ， 1分 子 葡 萄 糖 在 分 解 代 谢 过 程 中 共 产 生38个 ATP： 4 ATP +（ 10 3） ATP + （ 2 2） ATP = 38 ATP 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 。 1.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 。 2、 磷 酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 在 磷 酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 羧 化 激 酶 的 催 化下 形 成 草 酰 乙 酸 。 在 大 脑 和 心 脏 中 存 在 这 个 反 应 。 3.天 冬 氨 酸 及 谷 氨 酸 的 转 氨 作 用 可 以 形 成 草酰 乙 酸 和 -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 CoA。 其反 应 将 在 氨 基 酸 代 谢 中 讲 述 。 n 基 本 生 化 途 径 ：关 键 ： 柠 檬 酸 进 一 步 降 解 合 成 前 体 原 料 保 证 五 、 戊 糖 磷 酸 途 径 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 。 1. 磷 酸 戊 糖 途 径 的 反 应 过 程 （ 1） G-6-P脱 氢 脱 羧 转 化 成 5-磷 酸 核 酮 糖 。 （ 2） 磷 酸 戊 糖 的 异 构 化 （ 3） 磷 酸 戊 糖 通 过 转 酮 及 转 醛 反 应 生 成 酵解 途 径 的 中 间 产 物 6-磷 酸 果 糖 和 3-磷 酸 甘 油 醛 。 2. 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。 n 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 。 习 题 ： 什 么 是 糖 ？ 该 如 何 分 类 （ 举 例 说 明 ） ？ 其生 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 ？ 糖 的 代 谢 途 径 有 哪 些 ？ 各 自 如 何 进 行 代 谢 ？