生物化学多糖和寡聚糖的酶促降解 课件

第九章 糖代谢,糖代谢可分为糖的分解与糖的合成两个方面：糖的分解代谢包括糖酵解糖的共同分解途径，三羧酸循环糖的最后氧化的途径，磷酸戊糖途径糖的直接氧化途径；糖的合成代谢除光合暗反应卡尔文循环外，还包括糖异生非糖物质形成糖的途径。光合作用和糖异生形成的单糖，还可进一步合成多糖。根据我们专业的要求，重点介绍分解代谢。,第一节 多糖和寡聚糖的酶促降解 第二节 糖的酵解及无氧发酵 第三节 葡萄糖的有氧分解代谢 第四节 戊糖磷酸途径 第五节 糖的异生作用简介,第九章 糖代谢,第一节 多糖和寡聚糖的酶促降解,一.双糖的酶促降解,在双糖酶催化下进行，双糖酶主要有麦芽糖酶、纤维二糖酶、蔗糖酶、乳糖酶等，它们都属于糖苷酶。 存在：广泛分布于植物、动物小肠液、微生物中。,二.淀粉（或糖原）的酶促降解,凡是能够催化淀粉（或糖原）分子及其分子片断中的葡萄糖苷键水解的酶都统称为淀粉酶。 动物、植物和绝大多数微生物都能分泌淀粉酶，但不同生物所分泌的淀粉酶种类不同。,-淀粉酶（淀粉-1，4-糊精酶，液化酶，编号：E.C.3.2.1.1） -淀粉酶是内切酶，从淀粉（或糖原）分子内部随机切断-1，4-糖苷键。 不能水解淀粉中的-1，6-糖苷键及其非还原端相邻的-1，4-糖苷键。 存在：动物的消化液、植物的种子和块根。 它能将淀粉首先打断成短片段的糊精，故称淀粉-1，4-糊精酶。,该酶作用于粘稠的淀粉糊时，能使粘度迅速下降成稀溶液状态，工业上称此为“液化”。 -淀粉酶可以看作是淀粉酶法水解的先导酶，大分子淀粉经其作用断裂，产生很多非还原性末端，为-淀粉酶或-淀粉酶提供了更多的作用点。 工业化一般水解淀粉时，用量为每克30-60单位。,-淀粉酶（淀粉-1，4-麦芽糖苷酶，编号E.C.3.2.1.2） -淀粉酶是外切酶，从淀粉分子的非还原末端依次切割-1，4-麦芽糖苷键（即两个葡萄糖单位），生成麦芽糖。 不能水解淀粉中的-1，6-糖苷键。当其作用于支链淀粉时，遇到分支点即停止作用。,-淀粉酶（葡萄糖淀粉酶，糖化酶，编号E.C.3.2.1.3） -淀粉酶是外切酶，从淀粉分子非还原端依次切割-1，4-糖苷键和-1，6-糖苷键，与-淀粉酶类似，水解产生的游离半缩醛羟基发生转位作用，释放-葡萄糖。,异淀粉酶（淀粉-1，6-葡萄糖苷酶，编号E.C.3.2.1.33） 动物、植物、微生物都产生异淀粉酶。来源不同，名称也不同，如：脱支酶、Q酶、R酶、普鲁蓝酶、茁霉多糖酶等。 水解支链淀粉或糖原的-1，6-糖苷键，生成长短不一的直链淀粉（糊精）。 主要由微生物发酵生产，菌种有酵母、细菌、放线菌。,淀粉磷酸化酶（发生在细胞内）,三.纤维素的酶促降解,人的消化道中没有水解纤维素的酶，但很多微生物如细菌、真菌、放线菌、原生动物等能产生纤维素酶及纤维二糖酶，它们能催化纤维素完全水解成葡萄糖。,四.果胶的酶促降解,果胶酶：其种类很多特点各异，根据机理分为裂解酶类和水解酶类。 来源：植物和微生物。,第二节 糖的酵解及无氧发酵,糖氧化分解的主要途径： 在无氧条件下进行的无氧分解 在有氧条件下进行的有氧氧化 通过磷酸戊糖途径进行的分解代谢,一、糖的分解代谢概述,二、酵解与发酵的涵义,酵解：葡萄糖经1，6-二磷酸果糖和3-磷酸甘油酸降解，生成丙酮酸并产生ATP的代谢过程。酵解是动物、植物、微生物细胞中普遍存在的葡萄糖降解途径，有氧或无氧条件下都能进行。,发酵：无氧条件下，微生物将葡萄糖或其他有机物发酵分解生成ATP及NADH，又以不完全分解产物作为电子受体，还原生成发酵产物的无氧代谢过程称为发酵。,工业上关于发酵的涵义泛指通过微生物及其他生物材料的工业培养，达到积累发酵产品的种种生产过程，包括厌氧发酵和好氧发酵。,三.酵解途径的反应历程,糖原（或淀粉）,1-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖,1，6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮,21，3-二磷酸甘油酸,23-磷酸甘油酸,22-磷酸甘油酸,2磷酸烯醇丙酮酸,2丙酮酸,第一阶段,第二阶段,第三阶段,葡萄糖,葡萄糖的磷酸化,磷酸己糖的裂解,丙酮酸和ATP的生成,2乳酸,2乙醛,2乙醇,生醇发酵, 葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖 (glucose-6-phosphate, G-6-P),哺乳类动物体内已发现有4种己糖激酶同工酶，分别称为至型。肝细胞中存在的是型，称为葡萄糖激酶。是EMP途径的第一个限速酶。, 6-磷酸葡萄糖转变为 6-磷酸果糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖 (fructose-6-phosphate, F-6-P),6-磷酸果糖转变为1,6-双磷酸果糖,6-磷酸果糖,1,6-双磷酸果糖(1, 6-fructose-biphosphate, F-1,6-2P),EMP途径的第二个限速酶,磷酸己糖裂解成2分子磷酸丙糖,1,6-双磷酸果糖,磷酸丙糖的同分异构化,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油醛,1,3-二磷酸 甘油酸,EMP途径中唯一的一步脱氢反应, 1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸,1,3-二磷酸 甘油酸,3-磷酸甘油酸,在以上反应中，底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程，称为底物水平磷酸化。,3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸,2-磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸， 并通过底物水平磷酸化生成ATP,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,第三个限速酶,四.途径化学计量和生物学意义,总反应式: C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2C3H4O3 +2NADH +2H+2ATP+2H2O,生物学意义： 是葡萄糖在生物体内进行有氧或无氧分解的共同途径,通过糖酵解，生物体获得生命活动所需要的能量； 形成多种重要的中间产物，为氨基酸、脂类合成提供碳骨架； 为糖异生提供基本途径。,常见的己糖进入EMP的途径,五.无氧条件下丙酮酸的去路,兼性微生物或厌氧微生物及高等动植物的兼性细胞，在无氧条件下糖酵解生成的丙酮酸，进一步转化则成发酵产物。不同生物的酶系不同，得到的发酵产物也不一样。常见的如：酵母菌的酒精发酵、甘油发酵、乳酸菌的乳酸发酵，丁酸菌的丙酮-丁醇发酵，等等。这类发酵产品的生成机理都是以无氧糖酵解途径为基础的，故统称为EMP途径类型的发酵。,1.酵母菌的酒精发酵,酵母细胞能产生酵解途径的全部酶系，还能产生丙酮酸脱羧酶和乙醇脱氢酶。丙酮酸脱羧酶以焦磷酸硫胺素（TPP）作为辅酶，催化丙酮酸脱羧，生成乙醛（反应11）。乙醇脱氢酶则以酵解途径第6步反应生成的NADH为辅酶，催化乙醛还原生成乙醇（反应12）。,酒精发酵是酵母菌在无氧条件下分解葡萄糖取得生物能量的代谢方式，释放的化学能总共为234.3kJmol，净生成2molATP，能量利用率为28.6。其余的能量以热能形式散发到发酵罐中，使发酵罐温度升高，必要时需采取降温措施。,2.乳酸菌的同型乳酸发酵,3.甘油发酵,在酵母酒精发酵时加入亚硫酸氢钠，能与乙醛起加成反应，生成难溶的结晶状加成物，这样就使已醛不能再作为受氢体，而迫使NADH用于磷酸二羟丙酮还原，生成甘油。,第三节 葡萄糖的有氧分解代谢,一、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。,二、葡萄糖有氧氧化分解的生理意义,供给能量：,糖有氧分解释放能量生成ATP有两种方式，一是底物水平磷酸化，二是氧化磷酸化。,摩尔葡萄糖完全氧化分解为CO2和H2O时，底物水平磷酸化次，生成摩尔ATP； 脱氢反应次，生成摩尔ATP；葡萄糖有氧分解过程消耗摩尔ATP。 总共摩尔葡萄糖完全氧化分解可净生成摩尔ATP。,三羧酸循环是体内营养物质彻底氧化分解的共同通路,凡是能够转变为糖有氧氧化中间产物的物质均可以参加三羧酸循环。所以三羧酸循环不仅是糖完全分解的途径和ATP生成的主要环节，也是甘油、脂肪、氨基酸等营养物质彻底氧化的共同通路。,为生物合成提供碳链,EMP-TCA循环的中间产物可以被挪用参与生物合成。例如丙酮酸、-酮戊二酸、草酰乙酸、反丁烯二酸可分别用于合成L-丙氨酸、L-谷氨酸和L-天冬氨酸；琥珀酰CoA可与甘氨酸合成卟啉环；卟啉环是血红素、叶绿素、细胞色素等重要活性物质的前体；乙酰CoA可用于脂肪酸的生物合成；草酸乙酸脱羧生成磷酸烯醇式丙酮酸，可以逆EMP途径合成葡萄糖等。,三、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.丙酮酸羧化支路,丙酮酸羧化酶最先在细菌中发现，后来证明动物、植物、微生物中普遍存在。该酶是寡聚酶，有4个亚基，各需一分子生物素和一个二价金属离子（Mg2+）作辅基，乙酰CoA是其变构激活剂，反应需要ATP供能。,苹果酸酶是真核细胞中的一种酶，它催化丙酮酸还原羧化成苹果酸，反应不需要ATP，但需要 NADHH+。,植物和细菌中还有磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶，可催化磷酸烯醇式丙酮酸羧化生成草酸乙酸。在人大脑和心脏中也存在这个反应。,2.乙醛酸循环支路,在植物和有些微生物体内具有异柠檬酸裂解酶和苹果酸合酶，前者催化异柠檬酸裂解生成琥珀酸和乙醛酸；后者催化乙醛酸与乙酰CoA合成苹果酸：,第四节 戊糖磷酸途径,糖酵解和三羧酸循环是机体内糖分解代谢的主要径，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（PPP），也称为磷酸己糖旁路（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。,磷酸戊糖途径的两个阶段,磷酸戊糖途径的氧化脱羧阶段,是HMP的限速酶。 受NADPH/NADP+比例的调节。,磷酸戊糖途径的非氧化分子重排阶段,磷酸戊糖途径的非氧化阶段之一 （5-磷酸核酮糖异构化）,磷酸戊糖途径的非氧化阶段之二（基团转移）,基团转移（续）,磷酸戊糖途径的非氧化阶段之三 （3-磷酸甘油醛异构、缩合与水解）,1,6-二 磷酸果糖,6-磷酸果糖,醛缩酶,异构酶,磷酸戊糖途径的总反应式,磷酸戊糖途径的生理意义 产生大量NADPH作为生物合成所需的还原力。 HMP途径中生成C3、C4、C5、C6、C7等各种长短不等的碳链，这些中间产物都可作为生物合成的前体。 在特殊情况下，HMP也可为细胞提供能量。 HMP途径是戊糖代谢的主要途径。,第五节 糖的异生作用简介,1.概念：由非糖物质转化成葡萄糖或糖原的过程叫做糖的异生作用。,2.前体：凡是能生成丙酮酸的物质均可转变为葡萄糖，如乳酸、生糖氨基酸、甘油、三羧酸循环的中间产物（柠檬酸、酮戊二酸、苹果酸等）。,3.进行部位：主要在肝脏中进行。另外，肾脏中也可进行糖的异生（尤其是较长时间饥饿时肾脏糖异生作用很强，相当于同重量的肝脏的水平）。,4.途径：,5.关键步骤：绕过糖酵解途径的三个不可逆反应的步骤。,关键步骤之一：,关键步骤之二：,关键步骤之三：,糖原异生的生理意义,对维持空腹或饥饿时血糖的相对恒定具有重要意义。体内糖贮存量有限，如果没有外源性补充，只需10多个小时糖原即可耗尽。事实上，禁食24小时，血糖仍能保持正常水平，此时完全依赖糖的异生作用。糖的异生作用一直在进行，只是空腹和饥饿时明显加强。,体内乳酸利用的主要方式：乳酸很容易通过细胞膜弥散入血，通过血液循环运到肝脏，经糖异生作用转变为葡萄糖；肝脏糖异生作用生成的葡萄糖又输送到血液循环，在被肌肉利用。这一过程叫做乳酸循环（或称Cori循环）。可见，糖异生作用对乳酸的再利用，肝糖原更新，补充肌肉糖的消耗以及防止乳酸中毒等方面都起着重要作用。,协助氨基酸代谢：大多数氨基酸都