生物化学合工大第八章糖代谢

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1、第八章 糖代谢- Metabolism,一、糖代谢总论 二、多糖和寡聚糖的酶促降解 三、糖的无氧降解及厌氧发酵 四、葡萄糖的有氧分解代谢 五、磷酸戊糖途径 六、糖异生 七、糖原代谢 八、乙醛酸循环,一、糖代谢总论,糖代谢包括分解代谢和合成代谢。 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的。另方面，糖分解的中间产物，又为生物体合成其它类型的生物分子，如氨基酸、核苷酸和脂肪酸等，提供碳源或碳链骨架。 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。光合作用将太阳能转变成化学能（主要是糖类化合物），是自然界规模最大的一种能量转换过程。,糖与多糖,糖类物质是一类多

2、羟基醛或多羟基酮类化合物或聚合物； 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。,重要的己糖包括：葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖等。,-D-吡喃葡萄糖,-D-吡喃半乳糖,1.单糖的结构,-D-吡喃甘露糖,-D-呋喃果糖,蔗糖,2.寡糖（二糖）,葡萄糖-，（12）果糖苷,葡萄糖-（14）半乳糖苷,乳 糖,麦芽糖,(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

3、）糖苷键，分子量较高。遇碘显紫红色。,3. 多糖,(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。 (4)杂多糖 糖胺聚糖（粘多糖、氨基多糖等） 透明质酸 硫酸软骨素 硫酸皮肤素 硫酸角质素 肝素,糖原,二、多糖和寡聚糖的酶促降解,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。 2. 淀粉 3.淀粉水解 淀粉 糊精 寡糖 麦芽糖 G,淀粉的酶促水解： 水解淀粉的淀粉酶有与淀粉酶， 二者只能水解淀粉中的-1，4糖苷键，水解产物为麦芽糖。 -淀粉酶可以水解淀粉(或糖原)

4、中任何部位的-1，4糖键。 淀粉酶只能从非还原端开始水解。 水解淀粉中的-1，6糖苷键的酶是-1，6糖苷键酶。 淀粉水解的产物为糊精和麦芽糖的混合物。,还原末端,非还原末端,-1，4糖苷键,-1，6糖苷键,三、糖的无氧降解及厌氧发酵,糖酵解途径(glycolysis) （Embden Meyerhof Parnas EMP）,（一）定义：在无氧的条件下，葡萄糖或糖原分解成丙酮酸，并释放少量能量的过程称为糖的无氧分解。这一过程与酵母菌使糖发酵的过程相似，又称为糖酵解，简称EMP途径。,（二）反应部位：细胞液（胞浆）,（三）EMP途径的生化历程三个阶段,1、葡萄糖的磷酸化,第一阶段：,葡萄糖 6-

5、磷酸葡萄糖,ATP,ATP,ATP,ADP,ADP,P,P,己糖激酶是糖酵解途径的第一个关键酶,2、磷酸己糖异构化,P,3、1,6-二磷酸果糖的生成,磷酸果糖激酶是糖酵解途径的第二个关键酶,并且是限速酶,ATP,ATP,ADP,P,ADP,4、1,6-二磷酸果糖的裂解,第二阶段：,1,6-二磷酸果糖,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油醛,5、磷酸丙糖的同分异构化,相当于1,6-二磷酸果糖裂解为两分子的3-磷酸甘油醛。,6、3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸,第三阶段：,P,+NAD+Pi,+NADH+H+,3-磷酸甘油醛,1，3-二磷酸甘油酸,这是糖酵解过程中唯一一步脱氢反应,7、高能磷酸基团的

6、转移,糖酵解中第一次底物水平磷酸化， 1分子葡萄糖产生2分子ATP。,+ ADP,+ ATP,ATP,8、3-磷酸甘油酸异构为2-磷酸甘油酸,9、磷酸烯醇式丙酮酸的生成,10、丙酮酸的生成,糖酵解中第二次底物水平磷酸化， 丙酮酸激酶是第三个关键酶， 1分子葡萄糖产生2分子ATP。,ADP,ATP,ATP,自发反应,2ATP,2ATP,3-磷酸甘油醛,1,3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸,丙 酮 酸,烯醇式丙酮酸,丙酮酸激酶,丙酮酸激酶,2ADP,烯醇化酶,磷酸甘油 酸变位酶,磷酸甘油 酸 激 酶,磷酸甘油 酸脱氢 酶,NAD+Pi,NADH+H+,2ATP,2

7、ADP,2ATP,糖酵解分为三个阶段,第一阶段：葡萄糖的磷酸化 葡萄糖,3步,1，6二磷酸果糖,第二阶段：糖的裂解阶段,1，6二磷酸果糖,两分子的磷酸丙糖,2步,第三阶段：产能阶段,两分子的3磷酸甘油醛,两分子丙酮酸,5步,（四）糖酵解的反应特点,1、整个过程无氧参加； 2、三个关键酶； 3、从葡萄糖开始净生成2分子ATP， 从糖原开始净生成3分子ATP； 4、一次脱氢，辅酶为NAD，生成NADHH。,总反应式: G+2NAD+2ADP+2Pi 2丙酮酸+2NADH+2H +2ATP +2H2O,2. 丙酮酸的去路,（有氧）,（无氧）,（一）丙酮酸的无氧还原,（2）酒精发酵（alcoholic

8、 fermation）,酵母菌,焦磷酸硫胺素 （ TPP ）,糖的无氧降解及厌氧发酵总图,（二）丙酮酸的氧化脱羧乙酰CoA的生成,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基质，在丙酮酸脱氢酶系的催化下，生成乙酰辅酶A。,细胞呼吸最早释放的CO2,丙酮酸脱氢酶系： 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） E2-二氢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+,其它糖进入单糖分解的途径,半乳糖,半乳糖-1-P,UDP-半

9、乳糖,UDP-葡萄糖,葡萄糖-1-磷酸,糖原或淀粉,葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸,果糖,葡萄糖,果糖-6-磷酸,果糖-1、6-磷酸,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油,甘油,3-磷酸甘油醛,进入糖酵解,甘露糖,甘露糖-6-磷酸,ATP,ADP,Pi,UTP,PPi,四、葡萄糖的有氧分解代谢,（一）定义：葡萄糖在有氧的条件下彻底氧化生成CO2、H2O和大量ATP的代谢过程，称为糖的有氧氧化。 （二）反应部位：线粒体基质,反应从乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成含有三个羧基的柠檬酸开始，所以称为柠檬酸循环，又称为TCA循环或Krebs循环。,糖的无氧氧化与有氧氧化的关系,线粒体基质,细胞液,CoASH,+CO2,+C

10、O2,三羧酸循环 （TCA）,草酰乙酸 再生阶段,柠檬酸的生成阶段,氧化脱 羧阶段,柠檬酸,异柠檬酸,顺乌头酸,酮戊二酸,琥珀酸,琥珀酰CoA,延胡索酸,苹果酸,草酰乙酸,NAD+,NAD+,FAD,NAD+,（三）三羧酸循环的反应过程,（1）缩合反应 （2）柠檬酸异构化生成异柠檬酸 （3）异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸 （4）-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA （5）琥珀酰CoA生成琥珀酸 （6）琥珀酸脱氢生成延胡索酸 （7）延胡索酸加水生成苹果酸 （8）草酰乙酸的再生,TCA第一阶段：柠檬酸生成,草酰乙酸,柠檬酸合成酶,顺乌头酸酶,CH3,CSCoA+,O,O,CCOOH,CH2COOH,

11、柠檬酸合成酶,HO,CCOOH,CH2COOH,CH2COOH,HSCoA,H2O,柠檬酸合酶,乙酰CoA,草酰乙酸,柠檬酸,HSCoA,（1）缩 合 反 应,柠檬酸合酶是三羧酸循环的第一个限速酶,H2O,（2）柠檬酸异构化为异柠檬酸,HO,CCOOH,CHCOOH,CH2COOH,H,CCOOH,CHCOOH,CHCOOH,CHCOOH,CH2COOH,CH2COOH,HO,H2O,H2O,顺乌头酸酶,顺乌头酸酶,HO,H,H2O,HO,H,H2O,柠檬酸,顺乌头酸,异柠檬酸,TCA第二阶段：氧化脱羧,HO,H,（3）异柠檬酸氧化生成-酮戊二酸,CHCOOH,CHCOOH,CH2COOH,C

12、COOH,CHCOOH,CH2COOH,HO,异柠檬酸,H,O,CH2,CHCOOH,CH2COOH,O,H,COO,NAD+,NADH+H+,异柠檬酸脱氢酶,CO2,CO2,草酰琥珀酸,-酮戊二酸,这是三羧酸循环的第一次氧化脱羧反应， 异柠檬酸脱氢酶是第二个限速酶。,异柠檬酸脱氢酶,异柠檬酸脱氢酶,（4）-酮戊二酸氧化脱羧反应,CH2,CCOOH,CH2COOH,O,-酮戊二酸,CH2,CH2,COOH,+,HSCoA,COSCoA,琥珀酰CoA,NAD+,NADH+H+,CO2,-酮戊二酸脱氢酶复合体,-酮戊二酸脱氢酶复合体,这是三羧酸循环的第二次氧化脱羧反应， -酮戊二酸脱氢酶复合体是第

13、三个限速酶。,COO,CO2,H,H,-酮戊二酸脱氢酶复合体包括： 1、-酮戊二酸脱氢酶E1 2、琥珀酰转移酶E2 3、二氢硫辛酸脱氢酶E3 4、六个辅助因子,（5）琥珀酸的生成,CH2,CH2,COOH,COSCoA,琥珀酰CoA,GDP+Pi+,GTP,CoASH,CH2COOH,CH2COOH,琥珀酸,琥珀酰CoA合成酶,这是三羧酸循环的唯一一次底物水平磷酸化。,GTP,TCA第三阶段：草酰乙酸再生,草酰乙酸,琥珀酸脱氢酶,延胡索酸酶,苹果酸脱氢酶,H,H,（6）延胡索酸的生成,CHCOOH,CHCOOH,琥珀酸,+ FAD,CHCOOH,CHCOOH,H,H,+ FADH2,H2,延胡

14、索酸,琥珀酸脱氢酶,HO,H,H2O,（7）苹果酸的生成,CHCOOH,CHCOOH,延胡索酸,H2O,CHCOOH,CHCOOH,延胡索酸酶,苹果酸,+,（8）草酰乙酸的再生,CHCOOH,CCOOH,苹果酸,O,CCOOH,CH2COOH,草酰乙酸,NAD+,NADH+H+,H,苹果酸脱氢酶,琥珀酰CoA,CO2,三羧酸循环,ATP,三羧酸循环过程总结(一次循环) 8步反应 8种酶催化 反应类型 缩合1、脱水1、氧化4、底物水平磷酸化1、水化3 生成3分子还原型NADH 生成1分子FADH2 生成1分子ATP,三羧循环的化学计量和能量计量,a、总反应式: CH3COSCoA+3NAD+FA

15、D+GDP+Pi+2H2O 2CO2+CoASH+3NADH+3H+ +FADH2+GTP,（四）反应特点,1、需氧 2、不可逆：三个限速酶 3、两次脱羧、四次脱氢（三次受体是NAD， 一次是FAD）、一次底物水平磷酸化 4、共产生12molATP,（五）生理意义,1.普遍存在 2.生物体获得能量的最有效方式 3.是糖类、蛋白质、脂肪三大物质转化的枢纽 4.获得微生物发酵产品的途径 柠檬酸、谷氨酸,葡萄糖完全氧化产生的ATP,总计：38 ATP 或 36 ATP,（六） 丙酮酸羧化支路（回补途径）,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激酶的催化下形成草酰乙酸。,3、丙酮酸在苹果酸酶的催化下形成苹果酸,再由 TCA途径生成