糖类分解代谢讲解（888）.ppt

07 糖类代谢,主要内容： 了解新陈代谢的概念和特点。 了解糖类的生物学作用和重要的单糖、寡糖、多糖的分类和结构。 重点掌握以葡萄糖为代表的单糖分解代谢的主要途径。,1,医药资料,目 录,第一节 新陈代谢通论 第二节 糖类化学概述 第三节 双糖和多糖的酶促降解 第四节 糖酵解（EMP） 第五节 三羧酸循环（TCA） 第六节 磷酸戊糖途径（PPP）,2,医药资料,概念：新陈代谢（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换的过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应转变成自身组织成分，即所谓同化作用（assimilation）；另一方面，将原有的组成成份经过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，即所谓异化作用（dissimilation ），通过上述过程不断地进行自我更新。,第一节 新陈代谢通论,3,医药资料,相互关系,小分子 大分子 合成代谢（同化作用） 需要能量 释放能量 分解代谢（异化作用） 大分子 小分子,物质代谢,能量代谢,新陈代谢,信息交换,4,医药资料,新陈代谢研究方法,1、同位素示踪法 2、酶抑制剂的应用 3、气体测量法 4、核磁共振波谱法 5、利用遗传缺陷症研究代谢途径,新陈代谢特点 1、条件温和、酶催化 2、特异有序、逐步进行 3、调节灵敏、有条不紊,5,第二节 糖类化学概述,1、糖类的生物学作用 2、单糖的链状结构和环状结构 3、重要的单糖及衍生物 4、重要的寡糖 5、重要的多糖 6、糖苷与复合糖,6,医药资料,1、糖类的生物学作用,多羟基醛或酮及其衍生物和缩合物。糖类是细胞中非常重要的一类有机化合物，主要的生物学作用如下：,作为生物体的结构成分 作为生物体内的主要能源物质 作为其它生物分子如氨基酸、核苷酸、脂等合成的前体物质 作为细胞识别的信息分子,7,医药资料,D系醛糖的 立体结构,D(+)-阿洛糖,D(+)-阿桌糖,D(+)-葡萄糖,D(+)-甘露糖,D(+)-古洛糖,D(-)-艾杜糖,D(+)-半乳糖,D(+)-塔罗糖,(allose),(altrose),(glucose),(mannose),(gulose),(idose),(galactose),(talose),D(-)-赤鲜糖,(erythrose),D(-)-苏糖,(threose),D(+)-甘油醛,(allose),D(-)-核糖,(ribose),D(-)-阿拉伯糖,(arabinose),D(+)-木糖,(xylose),D(-)-米苏糖,(lysose),8,医药资料,D系酮糖的 立体结构,D(-)-赤藓酮糖,(erythrulose),D(-)-核酮糖,(ribulose),D(+)-核酮糖,(xylulose),D(+)-阿洛酮糖,(psicose,allulose),D(-)-果糖,(fructose),D(+)-山梨糖,(sorbose),D(-)-洛格酮糖,(tagalose),二羟丙酮,(dihytroasetone),9,医药资料,吡喃型和呋喃型的D-葡萄糖和D-果糖（Haworth式）,吡喃,呋喃,-D-吡喃葡萄糖,-D-吡喃果糖,-D-呋喃葡萄糖,-D-呋喃果糖,10,医药资料,D-葡萄糖由Fischer式改写为Haworth式的步骤,转折,旋转,成环,成环,-D-吡喃葡萄糖,-D-吡喃葡萄糖,11,医药资料,-D-吡喃木糖,-D-呋喃核糖,2-脱氧-D-呋喃核糖,-D-芹菜糖, -L-呋喃阿拉伯糖, -D-呋喃阿拉伯糖,D-核酮糖,D-木酮糖,不能再被水解的多羟基醛、酮，是碳水化合物的基本单位。植物体内的单糖主要是戊糖、己糖、庚糖。 戊糖主要有：核糖、脱氧核糖、木糖和阿拉伯糖,12,医药资料,-D-吡喃葡萄糖, -L-吡喃山梨糖, -D-吡喃甘露糖,- L -吡喃半乳糖, -D-吡喃半乳糖, -D-呋喃果糖,己糖主要有：葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖和山梨糖,13,医药资料,庚糖主要有：庚酮糖,L -甘油- D-甘露庚糖,D-景天庚酮糖,D-甘露庚酮糖,甘露糖,14,医药资料,单糖磷酸酯,D-甘油醛-3-磷酸, -D-葡萄糖-1-磷酸, -D-葡萄糖-6-磷酸, -D-果糖-6-磷酸, -D-果糖-1,6-二磷酸,15,医药资料,蔗糖,D-麦芽糖（ -型）,乳糖（ -型 ）,纤维二糖（ -型）,由2-10个单糖分子缩合而成，水解后生成单糖。 重要的寡糖主要有：麦芽糖、蔗糖、乳糖、纤维二糖、低聚果糖、低聚木糖、甲壳低聚糖、环状低聚糖等。,16,医药资料,GF2,具有特殊功能的低聚糖,木二糖的分子结构,-1,4,水溶性 D-氨基葡聚糖,蔗果低聚糖,甲壳低聚糖,低聚木糖,低聚果糖,17,医药资料,又名环状淀粉或沙丁格糊精（Schardinger Dextrin），由-D-葡萄糖通过-1,4糖苷键首尾相连构成。 DP为6,7,8分别称为,环状糊精(Cyclodextrin，CD)。,N=6,N=7,N=8,环状低聚糖,18,医药资料,立体结构示意图,19,医药资料,Definition：超过10个单糖的聚合物为多糖,大多数多糖的聚合度（ DP ）为2003000 纤维素的DP最大，达700015000,多糖主要有：淀粉(starch)、糖原、果胶物质、植物胶质、海藻多糖、微生物多糖等。,20,医药资料,支链淀粉或糖原分支点的结构,淀粉(starch)和糖原(glycogen)结构,21,医药资料,纤维素片层结构,纤维素一级结构,22,医药资料,定义：是由单糖或低聚糖的半缩醛羟基和另一个分子中的-OH、-NH2、-SH（巯基）等发生缩合反应而得的化合物。 组成：糖 + 配基（非糖部分 ） 糖苷的类型,糖苷,O-糖苷,S-糖苷,N-糖苷,23,医药资料,糖肽链,糖核酸,糖脂质,(Complex Carbohydrates),糖复合物,24,医药资料,第三节 双糖和多糖的酶促降解,一、双糖的酶促降解 二、多糖的酶促降解 1、淀粉的酶促降解 2、纤维素的酶促降解 3、果胶的酶促降解,25,医药资料,蔗糖 + H2O 果糖+葡萄糖,转化酶(蔗糖酶),一、双糖的酶促降解,1、蔗糖(sucrose)的水解,UDPG的结构,26,医药资料,2、麦芽糖(maltose)的水解,3、乳糖(lactose)的水解,27,医药资料,1、淀粉的酶促降解,淀粉的水解 -淀粉酶 -淀粉酶 R-酶（脱支酶） 麦芽糖酶,二、多糖的酶促降解,淀粉的磷酸解 磷酸化酶 转移酶与脱支酶,28,医药资料,淀粉内切酶，作用于淀粉分子内部的任意的-1,4糖苷键。 直链淀粉 葡萄糖+麦芽糖+麦芽三糖+低聚糖的混合物 支链淀粉 葡萄糖+麦芽糖+麦芽三糖+-极限糊精 极限糊精是指淀粉酶不能再分解的支链淀粉残基。 -极限糊精是指含-1,6糖苷键由3个以上葡萄糖基构成的极限糊精。,-淀粉酶 (-amylase),淀粉的水解,29,医药资料,淀粉外切酶，水解-1,4糖苷键，从淀粉分子外即非还原端开始，每间隔一个糖苷键进行水解，每次水解出一个麦芽糖分子。 直链淀粉 麦芽糖 支链淀粉 麦芽糖+-极限糊精 -极限糊精是指-淀粉酶作用到离分支点2-3个葡萄糖基为止的剩余部分。 两种淀粉酶降解的最终产物都有麦芽糖。,-淀粉酶 (-amylase),30,医药资料,两种淀粉酶性质的比较,31,医药资料,为水解糖原、支链淀粉中-1,6-葡糖苷键的酶类的总称。将及-淀粉酶作用支链淀粉最后留下的极限糊精的分支点水解，产生短的只含-1,4糖苷键的糊精，使之可进一步被淀粉酶降解。 不能直接水解支链淀粉内部的-1,6糖苷键。,R-酶（脱支酶，debranching enzyme）,麦芽糖酶(maltase),催化麦芽糖水解为葡萄糖，是淀粉水解的最后一步。,32,医药资料,淀粉的彻底水解需要上述水解酶的共同作用，其最终产物是葡萄糖。,33,医药资料,催化淀粉非还原末端的葡萄糖残基转移给P，生成G-1-P，同时产生一个新的非还原末端，重复上述过程。 直链淀粉 G-1-P 支链淀粉 G-1-P + 磷酸化酶极限糊精 磷酸化酶不能将支链淀粉完全降解，只能降解到距分支点4个葡萄糖残基为止，留下一个大而有分支的多糖链，称为磷酸化酶极限糊精。,磷酸化酶(phosphorylase),淀粉的磷酸解,34,医药资料,转移酶、脱支酶、 磷酸化酶共同作用将支链淀粉彻底降解为G-1-P。,磷酸化酶,G-1-P,转移酶(transferase)与脱支酶,脱支酶,-P,35,医药资料,2、纤维素(cellulose )的酶促降解,纤维素是植物细胞壁的主要成分，和淀粉一样无还原性，两者的区别在于淀粉以-1,4和-1,6糖苷键连接，而纤维素则以-1,4糖苷键连接起来的没有分支的长链。此外，纤维素分子比淀粉大，更难溶于水，较淀粉水解困难。 纤维素可在浓酸中或用稀酸在压力下进行降解；也可在氧化剂作用下发生氧化降解，生成氧化纤维素；此外，也可在纤维素酶作用下发生水解，水解过程中可得到纤维四糖、纤维三糖和纤维二糖等，最终产物是D-葡萄糖。,36,医药资料,纤维素酶(cellulase)是多种作用于纤维素的酶的总称，有细胞表面酶和胞外酶两种。细菌纤维素酶一般为细胞表面酶，位于细胞膜上，分解纤维素时，细菌必须附着在纤维素表面。真菌和放线菌的纤维素酶为胞外酶，它们可以在胞外环境中起作用，菌体无需直接与纤维素表面接触。根据对真菌的研究，它包括如下三种酶： C1 酶 (内-葡聚糖酶)：此酶主要水解纤维素分子内的-糖苷键，产生带有自由末端的长链片段。 CX 酶 (外-葡聚糖酶)：此酶作用于纤维素分子的末端，产生纤维二糖。,37,医药资料,-葡萄糖苷酶：此酶能将纤维二糖、纤维三糖及低分子量的寡糖水解成葡萄糖。 纤维素酶对纤维素的水解过程可表示为：,38,医药资料,3、果胶(pectin)的酶促降解,果胶质是植物毗邻细胞之间的胞间层组分，占植物体干重的 15%30% 。果胶质由 D-半乳糖醛酸通过-1,4-糖苷键连接的直链构成。链上的羧基可部分或全部被甲醇酯化而形成果胶酯，果胶酯可进一步与钙离子结合成不溶于水的原果胶(protopectin)。不含甲基酯的果胶质称为果胶酸(pectic acid) 。 果胶质的降解需借助微生物分泌的果胶质酶。果胶质酶主要有三类，即果胶质酯酶，果胶质水解酶和果胶质裂解酶。 果胶质酯酶：这类酶的作用是水解甲基酯键，使果胶酯转化为果胶酸和甲醇。即：,39,医药资料,这一反应虽不能使果胶质彻底分解，但为随后的分解创造了条件。 果胶质水解酶：这类酶能水解-1,4-糖苷键，分为两种： 如果水解果胶酯的速度比果胶酸快，则称为聚甲基酯半乳糖醛酶。 如果水解果胶酸的速度比水解果胶酯快，则称为聚半乳糖醛酸酶。 水解果胶酯的产物是 D-甲基酯半乳糖醛单元及其寡聚体，水解果胶酸的产物则是 D- 乳糖醛酸单元及其寡聚体。,40,医药资料,果胶质裂解酶：这类酶将果胶质裂解为变态的半乳糖醛酸单元，也可分为两种： 分解果胶酯比果胶酸快的称为果胶酯裂解酶。 分解果胶酸比果胶酯快的称为果胶酸裂解酶。 果胶质酶的最终产物是果胶质的结构单元及其寡聚体，具体决定于微生物种类。,41,医药资料,第四节 糖酵解（glycolysis）,1、 化学历程和催化酶类 2、 化学计量和生物学意义 3、 糖酵解的调控 4、 丙酮酸的去路：无氧降解和有氧降解途径,糖酵解是将葡萄糖降解为丙酮酸并伴随着ATP生成的一系列反应，是生物体内普遍存在的葡萄糖降解的途径。该途径也称作Embden-Meyethof-Parnas途径，简称EMP途径。,42,医药资料,EMP的化学历程,己糖的磷酸化,磷酸己糖的裂解,丙酮酸和ATP的生成,43,医药资料,第一阶段：己糖的磷酸化,葡萄糖激酶,磷酸果糖激酶,异构酶,44,医药资料,第二阶段： 磷酸己糖的裂解,醛缩酶,异构酶,45,医药资料,第三阶段：磷酸烯醇式丙酮酸、丙酮酸和ATP的生成,Mg或Mn,丙酮酸,PEP,丙酮酸激酶,脱氢酶,激酶,变位酶,烯醇化酶,46,医药资料,糖酵解途径,47,医药资料,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。,EMP途径化学计量,总反应式： C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2C3H4O3 + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O,48,医药资料,糖酵解的调控位点及相应调节物,机理：主要通过调节反应途径中几种酶的活性来控制整个途径的速度，被调节的酶为催化反应历程中不可逆反应的三种酶，通过酶的别构效应或共价修饰实现活性的调节，调节物多为本途的中间物中间物或与本途径有关的代谢产物。,49,医药资料,酶的别构（变构）效应示意图,别构酶的反馈调控机理,50,医药资料,酶的共价修饰,某些酶可以通过其它酶对其多肽链上某些基团进行可逆的共价修饰，使其处于活性与非活性的互变状态，从而调节酶活性。这类酶称为共价修饰酶。目前发现有数百种酶被翻译后都要进行共价修饰，其中一部分处于分支代谢途径，成为对代谢流量起调节作用的关键酶或限速酶。 由于这种调节的生理意义广泛，反应灵敏，节约能量，机制多样，在体内显得十分灵活，加之它们常受激素甚至神经的指令，导致级联放大反应，所以日益引人注目。,A,P1,G,E,D,C,B,H,Ea-b,Ec-d,Ec-g,关键酶（限速酶）,P2,51,医药资料,蛋白质的磷酸化和脱磷酸化,第一类：Ser/Thr型 第二类：Tyr型,第一类：Ser/Thr型 第二类：Tyr型 第三类：双重底物型,52,医药资料,2,6-二磷酸果糖合成和降解的调控,磷酸化的前后酶,去磷酸化的前后酶,F-6-P,低血糖,F-2,6-BP,ATP,ADP,H2O,Pi,F-6-P,F-6-P,53,医药资料,丙酮酸激酶催化活性控制关系图,磷酸化的丙酮酸激酶 （低活性）,去磷酸化的丙酮酸激酶 （高活性）,H2O,Pi,ATP,ADP,果糖-1,6-二磷酸,ATP,丙氨酸,低血糖,Pi,54,医药资料,4、丙酮酸的去路：无氧降解和有氧降解途径,55,医药资料,丙酮酸的无氧降解及葡萄糖的无氧分解,葡萄糖,EMP,56,医药资料,丙酮酸的有氧氧化及葡萄糖的有氧分解,57,医药资料,丙酮酸脱氢酶系,NAD+ +H+,丙酮酸脱羧酶,FAD,硫辛酸乙酰转移酶,二氢硫辛酸脱氢酶,CO2,乙酰硫辛酸,二氢硫辛酸,NADH+H+,TPP,硫辛酸,CoASH,NAD+,58,医药资料,焦磷酸硫胺素（TPP）在丙酮酸脱羧中的作用,59,医药资料,硫辛酸的氢载体作用和酰基载体作用,+2H,-2H,60,医药资料,泛酸和 辅酶 A （CoASH）,SH,61,医药资料,维生素pp和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（ NAD+ ）,R,NAD+: R=H NADP+: R=PO3H2,递氢体作用： NAD+2H NADH+H+,62,医药资料,维生素B2和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）,63,医药资料,第五节 三羧酸循环 （tricarboxylic acid cycle, TCA 循环）,1、三羧酸循环的化学历程 2、三羧循环及葡萄糖有氧氧化的化学计量和能量计量 3、三羧酸循环的调控 4、三羧循环的生物学意义 5、草酰乙酸的回补反应（自学）,64,医药资料,O CH3-CSCoA,CoASH,NADH,+CO2,FADH2,H2O,NADH,+CO2,NADH,三羧酸循环 （TCA）,3.草酰乙酸 再生阶段,1. 柠檬酸的生成阶段,2.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+ CoASH,CoASH,H2O,65,医药资料,TCA第一阶段：柠檬酸生成,草酰乙酸,柠檬酸合成酶,H2O,66,医药资料,TCA第二阶段：氧化脱羧,-酮戊二酸脱氢酶系,67,医药资料,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,68,医药资料,三羧循环的化学计量和能量计量,总反应式： CH3COSCoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+3NADH+3H+ +FADH2+GTP+CoASH,69,医药资料,葡萄糖完全氧化产生的ATP,总计：38 ATP或36 ATP,70,医药资料,三羧酸循环的调节,调节位点 柠檬酸合成酶（限速酶） 异柠檬酸脱氢酶 -酮戊二酸脱氢酶系,71,医药资料,三羧循环的生物学意义,是有机体获得生命活动所需能量的主要途径 是糖、脂、蛋白质等物质代谢和转化的中心枢纽 形成多种重要的中间产物 是发酵产物重新氧化的途径,72,医药资料,第六节 磷酸戊糖途径 （pentose phosphate pathway, ppp）,1、化学反应历程及催化酶类 特点：氧化脱羧阶段和非氧化分子重排阶段 2、总反应式和生理意义,73,医药资料,磷酸戊糖途径的两个阶段,2、非氧化分子重排阶段 6 核酮糖-5-P 5 果糖-6-P 5 葡萄糖-6-P,1、氧化脱羧阶段 6 G-6-P 6 葡萄糖酸-6-P 6 核酮糖-5-P 6 NADP+ 6 NADPH+6H+ 6 NADP+ 6 NAD