华中农业大学生物化学考研笔记

第一章第一章糖糖 概论概论 一 一 糖的概念糖的概念 糖类物质是多羟基的醛类 aldehyde 或酮类 Ketone 化合物 以及它们的衍生物或聚合物 二糖的元素组成与分类 据此可分为醛糖 aldose 和酮糖 ketose 还可根据碳原子数分为丙糖 triose 丁糖 terose 戊糖 pentose 己糖 hexose 最简单的糖类就是丙糖 甘油醛和二羟丙酮 由于绝 大多数的糖类化合物都可以用通式 Cn H2O n 表示 所以过去人们一直认为糖类是碳与 水的化合物 称为碳水化合物 三 糖的种类 根据糖的结构单元数目多少分为 1 单糖 不能被水解称更小分子的糖 2 寡糖 2 6 个单糖分子脱水缩合而成 以双糖最为普遍 意义也较大 3 多糖 均一性多糖 淀粉 糖原 纤维素 半纤维素 几丁质 壳多糖 不均一性多糖 糖胺多糖类 透明质酸 硫酸软骨素 硫酸皮肤素等 4 结合糖 复合糖 糖缀合物 glycoconjugate 糖脂 糖蛋白 蛋白聚糖 糖 核苷酸 等 5 糖的衍生物 糖醇 糖酸 糖胺 糖苷 四 糖类的生物学功能 1 生物体内的主要能源物质 植物的淀粉和动物的糖原都是能量的储存形式 2 在生物体内转变成其它物质 物质代谢的碳骨架 为蛋白质 核酸 脂类的合成提供 碳骨架 3 生物体的结构成分 纤维素 半纤维素 木质素是植物细胞壁的主要成分 肽聚糖是 细胞壁的主要成分 4 作为细胞识别的信息分子 细胞膜表面糖蛋白的寡糖链参与细胞间的识别 一些细胞 的细胞膜表面含有糖分子或寡糖链 构成细胞的天线 参与细胞通信 红细胞表面 ABO 血型决定簇就含有岩藻糖 第一节第一节 单糖单糖 一 单糖的结构 1 单糖的链状结构 确定链状结构的方法 葡萄糖 a 与 Fehling 试剂或其它醛试剂反应 含有醛基 b 与乙酸酐反应 产生具有五个乙酰基的衍生物 c 用钠 汞剂作用 生成山梨醇 最简单的单糖之一是甘油醛 glyceraldehydes 它有两种立体异构形式 Stereoismeric form 这两种立体异构体在旋光性上刚好相反 一种异构体使平面偏振光 Plane polarized liyot 的偏振面沿顺时针方向偏转 称为右旋型异构体 dextrorotary 或 D 型异构 体 另一种异构体则使平面偏振不的编振机逆时针编转 称左旋异构体 levorotary L 或 L 型异构体 像甘油醛这样具有旋光性差异的立体异构体又称为光学异构体 Cptical lsmer 常用 D L 表示 以甘油醛的两种光学异构体作对照 其他单糖的光学异构构与之比较而规定为 D 型或 L 型 差向异构体 epimer 又称表异构体 只有一个不对称碳原子上的基因排列方式不同的非 对映异构体 2 单糖的环状结构 在溶液中 含有 4 个以上碳原子的单糖主要以环状结构 单糖分子中的羟基能与醛基或酮基可逆缩合成环状的半缩醛 emiacetal 环化后 羰基 C1 就成为一个手性 C 原子称为端异构性碳原子 anomeric carbon atom 环化后形成的两 种非对映异构体称为端基异构体 或头异构体 anomer 分别称为 a 型及 b 型头异构体 环状结构一般用 Havorth 结构式表示 用 FisCher 投影式表示环状结构很不方便 Haworth 结构式比 Fischer 投影式更能正确反映 糖分子中的键角和键长度 转化方法 画一个五员或六员环 从氧原子右侧的端基 碳 anomerio carbon 开始 画上半缩醛羟基 在 Fischer 投影式中右侧的居环下 左侧居环 上 构象式 Haworth 结构式虽能正确反映糖的环状结构 但还是过于简单 构象式最能正确 地反映糖的环状结构 它反映出了糖环的折叠形结构 3 变旋现象 在溶液中 糖的链状结构和环状结构 a b 之间可以相互转变 最后达到一个动态平衡 称为变旋现象 从乙醇水溶液中结晶出的 D Glccose 称为 D Glccose 20D 113 从吡啶溶 液中结晶出的 D Glccose 称为 D Glccose 20D 18 7 将 a D 葡萄糖与 b D 葡萄糖分别溶于水中 放置一段时间后 其旋光率都逐渐转变为 52 7 C 原因就 是葡萄糖的不同结构形式相互转变 最后 各种结构形式达到一定的平衡 其中 a 型占 36 b 型占 63 链式占 1 4 构型与构象 1 构型 分子中由于各原子或基团间特有的固定的空间排列方式不同而使它呈现出不同 的较定的立体结构 如 D 甘油醛与 L 甘油醛 D 葡萄糖和 L 葡萄糖是链状葡萄糖的两种 构型 a D 葡萄糖和 b D 葡萄糖是环状葡萄糖的两种构型 一般情况下 构型都比较稳定 一种构型转变另一种构型则要求共价键的断裂 原子 基 团 间的重排和新共价键的重新形成 2 构象 由于分子中的某个原子 基团 绕 C C 单键自由旋转而形成的不同的暂时性的易 变的空间结构形式 不同的构象之间可以相互转变 在各种构象形式中 势能最低 最 稳定的构象是优势对象 5 构型与旋光性 旋光性是分子中具有不对称结构的物质的一种物理性质 显然 构型不同旋光性就不同 构型是人为规定的 旋光性是实验测出的 因此 构型与旋光性之间没有必然的对应规 律 每一种物质的旋光性只能通过实验来确定 二 单糖的物理化学性质 一 物理性质 旋光性 是鉴定糖的一个重要指标 甜度 以蔗糖的甜度为标准 溶解性 易溶于水而难溶于乙醚 丙酮等有面溶剂 二 化学性质 1 变旋 在溶液中 糖的链状结构和环状结构 a b 之间可以相互转变 最后达到 一个动态平衡 称为变旋现象 三者间的比例因糖种类而异 只有链状结构才具有下述的氧化还原反应 2 糖醛反应 与酸的反应 1 Molish 反应 Molish 反应可以鉴定单糖的存在 2 Seliwannoff 反应 据此区分酮糖与醛糖 还可利用溴水区分醛糖与酮糖 3 氧化反应 氧化只发生在开链形式上 在氧化剂 金属离子如 Cu2 酶的作用下 单糖可以发生几种类型的氧化 醛基氧化 糖酸 aldonic acid 伯醇基氧化 醛酸 uronic acid 醛基 伯醇基同时氧化 二酸 alduric acid 能被弱氧化剂 如 Fehhing 试剂 Benedict 试剂 氧化的糖称为还原性糖 所有的单糖都是 还原性糖 单糖氧化形成的羟基可以进一步形成环状内酯 Lactone 内酯在自然界中很普遍 如 L 抗坏血酸 L ascorbio acid 又称 VC Vitamcn c 就 是 D 葡萄糖酸的内酯衍生物 分子量 176 1 它在体内是一种强还原剂 豚鼠 guinea pig 猿 ape 和人不能合成 Vc 从能合成 Vc 的肝脏微粒体中分离到合成 Vc 的三种酶 人和猿缺乏 gulonolactone oxidase 缺乏抗坏血酸将导致坏血病 scurvy 龄龈 gum 腿 部等开始出血 肿胀 逐渐扩展到全身 柑橘类果实 citrus frait 中含有丰富的 Vc 4 还原反应 单糖可以被还原成相应的糖醇 Sugar alcohol D 葡萄糖被还原成 D 葡萄糖醇 又称山犁醇 D Sorbitol 糖醇主要用于食品加工业和医药 山犁醇添加到糖果中能延长糖果的货架期 因为它能 防止糖果失水 用糖精处理的果汁中一般都有后味 添加山犁醇后能去除后味 人体食 用后 山犁醇在肝中又会转化为果糖 5 异构化 在弱碱性溶液中 D 葡萄糖 D 甘露糖和 D 果糖 可以通过烯醇式相互转化 enediol intermediate D 葡萄糖异构化为 D 甘露糖后 由于其中的一个手性碳原子的构型发生变化 又称差向 异构化 epimerization 6 酯化 生物体中最常见也是最重要的糖酯是磷酸糖酯和硫酸糖酯 磷酸糖酯及其衍生物是糖的代谢活性形式 糖代谢的中间产物 硫酸糖酯主要发现于结缔组织的蛋白聚糖中 Proteo glycan 由于硫酸糖酯带电荷 因此 它能结合大量的水和阳离子 葡萄糖的核苷二磷酸酯 如 UDPG 参与多糖的生物合成 7 糖苷化 单糖环状结构上的半缩醛羟基与醇或酚的羟基缩合失水成为缩醛式衍生物 通称为糖苷 glycosides 8 糖脎反应 亲核加成 糖脎反应发生在醛糖和酮糖的链状结构上 糖脎易结晶 可以根据结晶的形状 判断单糖的种类 三 重要的单糖 3 几种重要的单糖的链状结构和环状结构 1 丙糖 D 甘油醛 二羟丙酮 2 丁糖 D 赤鲜糖 D 赤鲜酮糖 3 戊糖 D 核糖 D 脱氧核糖 D 核酮糖 D 木糖 D 木酮糖 4 己糖 D 葡萄糖 a 型及 b 型 D 果糖 5 庚糖 D 景天庚酮糖 四 重要的单糖衍生物 1 糖醇 2 糖醛酸 单糖的伯醇基被氧化成 COOH 动物体内有两种很重要的糖醛酸 a D 葡萄醛酸和差向异构物 b L 艾杜糖醛酸 它们在结 缔组织中含量很高 葡萄糖醛酸是肝脏内的一种解毒剂 它与类固醇 一些药物 胆红素 血红蛋白的降解物 结合增强其水溶性 使之更易排出体外 3 氨基糖 糖胺 amino sugar glycosamine 单糖的一个羟基 通常是 C2 位 被氨基取代 常见的氨基糖有 D 葡萄糖胺 D Glccosamine 和 D 半乳糖胺 D galactosamine 氨基糖的氨基还经常被乙酰化形成 N 乙酰糖胺 4 糖苷 单糖的半缩醛羟基与其它分子的醇 酚等羟基缩合 脱水生成缩醛式衍生物 称糖苷 Glycoside 半缩醛部分是 Glc 称 Glc 糖苷 半缩醛部分是 Gal 称 Gal 糖苷 O 糖苷 N 糖苷 S 糖苷 糖苷物质与糖类的区别 糖是半缩醛 不稳定 有变旋 苷是缩醛 较稳定 无变旋 糖苷大多数有毒 5 脱氧糖 重要的有 6 脱氧 D 甘露糖 L 岩藻糖 L fucose 和 2 脱氧 D 核糖 岩藻糖常见于一些糖蛋白中 如红细胞表面 ABO 血型决定簇 第二节第二节 寡糖寡糖 寡糖是指含有 2 10 个单糖单元的糖类 双糖在自然界中含量也很丰富 双糖必须在酶的作 用下水解成单糖才能被人体吸收 如果这些酶有缺陷的话 那么人体摄入双糖后由于不 能消化它就会出现消化病 未消化的双糖进入大肠 在渗透压的作用下从周围组织夺取 水分 腹泻 diarrhea 结肠中的细菌消化双糖 发酵 产生气体 气胀和绞痛或痉孪 最常 见的双糖消化缺陷是乳糖过敏 就是由于缺乏乳糖酶 Lactose 解决办法就是乳糖酶处理 食物或避免摄入乳糖 一 麦芽糖 maltose malt sugar 它是直链淀粉的水解中间物 a 麦芽糖 在自然界中似乎并不存在天然的麦芽糖 结构 两分子 a 葡萄糖 a 1 4 糖苷键 性质 变旋现象 在水溶解中形成 a b 和开链的混合物 具有还原性 能成脎 异麦芽糖 a 1 6 键型 支链淀粉和糖元的水解产物 二 蔗糖 植物的茎 叶都可以产生蔗糖 它可以在整个植物体中进行运输 也是光合产物的运输 形式之一 结构 a 葡萄糖 b 果糖 a b 1 2 糖苷键 无异构体 蔗糖 葡萄糖 a b 1 2 果糖苷 性质 无变旋现象 无还原性 不能成脎 三 乳糖 顾名思义 主要存在于哺乳动物的乳汁中 结构 b 半乳糖 b 1 4 糖苷键 a 或 b 葡萄糖 两种异构体 a Lactose 半乳糖 b a 1 4 葡萄糖苷 b lactose 半乳糖 b b 1 4 葡萄糖苷 性质 有变旋现象 具有还原性 能成脎 四 纤维二糖 cellobiose 纤维素的降解产物和基基本结构单位 自然界中不存在游离的纤维二糖 结构 两分子 b 葡萄糖 b 1 4 糖苷键 纤维二糖 葡萄糖 b 1 4 葡萄糖苷 性质 具有变旋现象 具有还原性 能成脎 五 海藻糖 两分子 D Glc 在 C1 上的两个半缩醛羟基之间脱水 由 1 1 糖苷键构成 六 棉子糖 三糖 非还原性三糖 三糖 最常见的是棉子糖 棉子糖广泛分布在高等植物界 是非还原糖 棉子糖完全水 解产生葡萄糖 半乳糖和果糖各一分子 其它三糖还有龙胆糖 龙胆三糖和送三糖 第三节第三节 多糖多糖 多糖是由多个单糖分子缩合脱水而形成的 由于构成它的单糖的种类 数量以及连接方 式的不同 多糖的结构极其复杂而且数量 种类庞大 多糖是重要的能量贮存形式 如淀粉和糖原等 和细胞的骨架物质 如植物的纤维素和动物 的几丁质 此外多糖还有更复杂的生理功能 如粘多糖和血型物质等 大部分的多糖类物质没有固定的分子量 多糖的大小从一定程度上可以反映细胞的代谢 状态 例如 当血糖水平高时 如饭后 肝脏就合成糖原 glycogen 这时就分子量可达 2 10 当血糖水平下降时 肝脏中的酶类就水解糖原 把葡萄糖释放到血液中 多糖在水溶液中只形成胶体 虽然具有旋光性 但无变旋现象 也无还原性 多糖可以分为均一性多糖 由同一种单糖分子组成 和不均一性多糖 由两种或两种以上单 糖分子组成 一 均一性多糖 自然界中最丰富的均一性多糖是淀粉和糖原 纤维素 它们都是由葡萄糖组成 淀粉和 糖原分别是植物和动物中葡萄糖的贮存形式 纤维素是植物细胞主要的结构组分 1 淀粉 植物营养物质的一种贮存形式 也是植物性食物中重要的营养成分 直链淀粉 许多 a 葡萄糖以 a 1 4 糖苷键依次相连成长而不分开的葡萄糖多聚物 典型情况下由数千 个葡萄糖线基组成 分子量从到 结构 长而紧密的螺旋管形 这种紧实的结构是与其贮藏功能相适应的 遇碘显蓝色 支链淀粉 在直链的基础上每隔 20 25 个葡萄糖残基就形成一个 a 1 6 支链 不能形成螺旋管 遇碘 显紫色 淀粉酶 内切淀粉酶 淀粉酶 水解 1 4 键 外切淀粉酶 淀粉酶 1 4 脱支酶 1 6 2 糖元 与支链淀粉类似 只是分支程度更高 分支更 每隔 4 个葡萄糖残基便有一个分支 结 构更紧密 更适应其贮藏功能 这是动物将其作为能量贮藏形式的一个重要原因 另一 个原因是它含有大量的非原性端 可以被迅速动员水解 糖元遇碘显红褐色 3 纤维素 结构 许多 b D 葡萄糖分子以 b 1 4 糖苷键相连而成直链 纤维素是植物细胞壁的主要 结构成份 占植物体总重量的 1 3 左右 也是自然界最丰富的有机物 地球上每年约生产 1011 吨纤维素 经济价值 木材 纸张 纤维 棉花 亚麻 完整的细胞壁是以纤维素为主 并粘连有半纤维素 果胶和木质素 约 40 条纤维素链相 互间以氢键相连成纤维细丝 无数纤维细丝构成细胞壁完整的纤维骨架 降解纤维素的纤维素主要存在于微生物中 一些反刍动物可以利用其消化道内的微生物 消化纤维素 产生的葡萄糖供自身和微生物共同利用 虽大多数的动物 包括人 不能消化 纤维素 但是含有纤维素的食物对于健康是必需的和有益的 4 几丁质 壳多糖 N 乙酰 b D 葡萄糖胺以 b 1 4 糖苷链相连成的直链 5 菊 糖 inulin 多聚果糖 存在于菊科植物根部 6 琼 脂 Ager 多聚半乳糖 是某些海藻所含的多糖 人和微生物不能消化琼脂 二 不均一性多糖 不均一性多糖种类繁多 有一些不均一性多糖由含糖胺的重复 双糖系列组成 称为糖胺聚糖 glyeosaminoglycans GAGs 又称粘多糖 mucopoly saceharides 氨基多糖等 糖胺聚糖是蛋白聚糖的主要组分 按重复双糖单位的不同 糖胺聚糖有五类 1 透明质酸 2 硫酸软骨素 3 硫酸皮肤素 4 硫酸用层酸 5 肝素 6 硫酸乙酰肝素 第五节 结合糖 glycoconjugate 糖与非糖物质共价结合形成的复合物称结合糖 复合糖 糖缀合物 包括糖脂 glycolipids 糖蛋白与蛋白聚糖 肽聚糖 peptidoglycan 糖 核 酸 第五节 糖蛋白 糖蛋白是由短的寡糖链与蛋白质共价相连构成的分子 其总体性质更接近蛋白质 糖与 蛋白质之间以蛋白质为主 其一定部位上以共价健与若干短的寡糖链相连 这些寡糖链 常常是具分支的杂糖链 不呈现重复的双糖系列 一般由 2 10 个单体 少于 15 组成 未 端成员常常是唾液酸或 L 岩藻糖 一 组成 D 葡萄糖 Glc D 甘露糖 Man D 半乳糖 Gal D 木糖 Xyl D 阿拉 伯糖 Ara L 岩藻糖 Fuc 葡萄糖醛酸 GlcuA 艾杜糖醛酸 IduA N 乙酰葡 萄糖胺 GlcNAG N 乙酰半乳糖胺 GalNAC N 乙酰神经氨酸 NeuNAC 即唾液 酸 Sia 二 糖链与蛋白的连接方式 糖蛋白的糖肽连接键 简称糖肽键 糖肽链的类型可以概况为 N 糖肽键型 寡糖链 GlcNAC 的 羟基 与 Asn 的酰胺基 N 未端的 a 氨基 Lys 或 Arg 的 W 氨基相连 O 糖肽键型 寡糖链 GalNAC 的 羟基 与 Ser Thr 和羟基赖氨酸 羟脯氨酸的羟 基相连 三 糖蛋白中糖链的结构 糖蛋白中的糖链变化较大 含有丰富的结构信息 寡糖链往往是受体 酶类的识别位点 1 N 糖肽键型 N 连接 N 糖苷键型主要有三类寡糖链 高甘露糖型 由 GlcNAc 和甘露糖组成 复合型 除了 GlcNAc 和甘露糖外 还有果糖 半乳糖 唾液酸 杂合型 包含 和 的特征 五糖核心 A 高甘露糖型 中国地仓鼠卵细胞膜 B N 乙酰半乳糖型 C 混合型 2 O 糖肽型 O 连接 没有五糖核心 人血纤维蛋白溶酶原 人免疫球蛋白 IgA 四 糖蛋白的生物学功能 1 糖蛋白携带某些蛋白质代谢去向的信息 糖蛋白寡糖链末端的唾液酸残基 决定着某种蛋白质是否在血流中存在或被肝脏除去的 信息 A 脊椎动物血液中的铜蓝蛋白 肝细胞能降解丢失了唾液酸的铜蓝蛋白 唾液酸的消除可能是体内 老 蛋白的标记方式之 一 B 红细胞 新生的红细胞膜上唾液酸的含量远高于成熟的红细胞膜 用唾液酸酶处理新生的红细胞 回注机体 几小时后全部消失 而末用酶处理的红细胞 回注后 几天以后 仍能在体 内正常存活 2 寡糖链在细胞识别 信号传递中起关键作用 淋巴细胞正常情况应归巢到脾脏 而切去唾液酸后 结果竞归巢到了肝脏 在原核中表达的真核基因 无法糖基化 二 蛋白聚糖 oroteoglycans 由糖胺聚糖与多肽链共价相连构成的分子 总体性质与多糖更为接近 糖胺聚糖链长而 不分支 呈现重复双糖系列结构 其一定部位上与若干肽链相连 由于糖胺聚糖具有粘 稠性 所以蛋白聚白又称为粘蛋白 粘多糖 蛋白质复合物等 一 蛋白聚糖中的糖肽键 在蛋白聚糖中已知有三种不同类型的糖肽键 1 D 木糖与 Ser 羟基之间形成的 O 糖肽键 硫酸软骨素 硫酸皮肤素 硫酸类肝 肝素 2 N 乙酰半乳糖胺与 Thr 或 Ser 羟基之间形成的 O 糖肽键 3 N 乙酰葡萄糖胺与 Asn 之间形成的 N 糖肽键 角膜硫酸角质素 GlcNAc N Asn 二 糖白聚糖的生物学功能 糖白聚糖主要存在于软骨 键等结缔组织和各种腺体分泌的粘液中 有构成组织间质 润滑剂 防护剂等多方面的作用 三 肽聚糖 peptidoglycan 是细菌细胞壁的主要成分 草兰氏阳性细菌胞壁所含的肽聚糖占干重的 50 80 草兰氏 阴性细菌胞壁所含的肽聚糖占干重的 1 10 糖链由 N 乙酰葡萄糖胺和 N 乙酰胞壁酸通过 1 4 糖苷键连接而成 糖链间由肽链交联 构成稳定的网状结构 肽链长短视细菌种类不同而异 组成及结构特点 金黄色葡萄球菌 1 G M 聚糖 2 四肽及连接方式 四肽中 N 端的 Ala 上 NH2 与 M 中乳酸的羧基连接 3 五聚 Gly 及连接方式 1 五聚 Gly 的 N 端 NH2 与四肽 C 端 Ala 上的羧基连接 2 五聚 Gly 的 C 端羧基与另一个四肽的 Lys NH2 连接 溶菌酶能水解 G M 间的 1 4 糖苷键 使细胞壁出现孔洞 基至解体 从而杀死细菌 人的眼泪中存在大量的溶菌酶 某些噬菌体在感染宿主时也可分泌溶菌酶 鸡蛋中也含 大量的溶菌酶 第二章第二章 糖代谢糖代谢 1 糖的主要生理作用是为机体代谢提供所需的能量和碳源 葡萄糖有三个氧化途径 经 糖酵解 有氧氧化途径分解并释放能量 经磷酸戊糖途径分解主要提供磷酸核糖及 NADPH 糖原是体内糖的储存形式 有肝糖原和肌糖原 经糖原分解 糖原合成途径代 谢 在肝 肾中某些非糖物质可经糖异生过程转变成葡萄糖 血液中葡萄糖称血糖 是 葡萄糖各种来源 去路代谢的动态平衡 血糖主要受多种激素调节 2 葡萄糖的有氧氧化包括四个阶段 糖酵解产生丙酮酸 2 丙酮酸 2ATP 2NADH 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰 CoA 三羧酸循环 CO2 H2O ATP NADH 呼吸链氧化磷酸化 NADH ATP 原核生物 阶段在胞质中 真核生物 在胞质中 在线粒体中 第一节第一节 糖酵解糖酵解 EMP 途径途径 一 酵解与发酵 1 酵解 glycolysis 糖酵解在细胞胞液中进行 无氧条件 是葡萄糖经过酶催化作用 降解成丙酮酸 并伴随生成 ATP 的过程 它是动物 植物和微生物细胞中葡萄糖分解的 共同代谢途径 在好氧有机体中 丙酮酸进入线粒体 经三羧酸循环被彻底氧化成 CO2 和 H2O 产生的 NADH 经呼吸链氧化而产生 ATP 和水 所以酵解是三羧酸循环和氧化磷酸化的前奏 若供氧不足 NADH 把丙酮酸还原成乳酸 乳酸发酵 2 发酵 ermentation 氧有机体 酵母和其它微生物 把酵解产生的 NADH 上的氢 传递给丙酮酸 生成乳酸 则称乳酸发酵 若 NAPH 中的氢传递给丙酮酸脱羧生成的乙 醛 生成乙醇 此过程是酒精发酵 有些动物细胞即使在有 O2 时 也会产生乳酸 如成 熟的红细胞 不含线粒体 视网膜 二 糖酵解过程 Embden Meyerhof Pathway 1940 糖酵解亦称 EMP pathway 以纪念 Embden Mayerholf 和 Parnas 1 反应步骤 1 葡萄糖磷酸化形成 G 6 P 此反应基本不可逆 调节位点 G0 4 0Kcal mol 使 Glc 活化 并以 G 6 P 形式将 Glc 限制在细胞内 催化此反应的激酶有 已糖激酶和葡萄糖激酶 激酶 催化 ATP 分子的磷酸基 r 磷酰基 转移到底物上的酶称激酶 一般需要 Mg2 或 Mn2 作为辅因子 底物诱导的裂缝关闭现象似乎是激酶的共同特征 已糖激酶已糖激酶 专一性不强 可催化 Glc Fru Man 甘露糖 磷酸化 己糖激酶是酵解途 径中第一个调节酶 被产物 G 6 P 强烈地别构抑制 葡萄糖激酶 对 Glc 有专一活性 存在于肝脏中 不被 G 6 P 抑制 Glc 激酶是一个诱导 酶 由胰岛素促使合成 2 G 6 P 异构化为 F 6 P 由于此反应的标准自由能变化很小 反应可逆 反应方向由底物与产物的含量水平控制 此反应由磷酸 Glc 异构酶催化 将葡萄糖的羰基 C 由 C1 移至 C2 为 C1 位磷酸化作准 备 同时保证 C2 上有羰基存在 这对分子的 断裂 形成三碳物是必需的 3 F 6 P 磷酸化 生成 F 1 6 P 此反应在体内不可逆 调节位点 由磷酸果糖激酶 催化 磷酸果糖激酶既是酵解途径的限速酶 又是酵解途径的第二个调节酶 4 F 1 6 P 裂解成 3 磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮 DHAP 该反应在热力学上不利 但是 由于具有非常大的 G0 负值的 F 1 6 2P 的形成及后续 甘油醛 3 磷酸氧化的放能性质 促使反应正向进行 同时在生理环境中 3 磷酸甘油醛 不断转化成丙酮酸 驱动反应向右进行 该反应由醛缩酶催化 反应机理 5 磷酸二羟丙酮 DHAP 异构化成 3 磷酸甘油醛 由磷酸丙糖异构酶催化 已糖转化成 3 磷酸甘油醛后 C 原子编号变化 F 1 6 P 的 C1 P C6 P 都变成了 3 磷酸甘 油醛的 C3 P 6 3 磷酸甘油醛氧化成 1 3 二磷酸甘油酸 由磷酸甘油醛脱氢酶催化 此反应既是氧化反应 又是磷酸化反应 氧化反应的能量驱动磷酸化反应的进行 碘乙酸可与酶的 SH 结合 抑制此酶活性 砷酸能与磷酸底物竞争 使氧化作用与磷酸 化作用解偶连 生成 3 磷酸甘油酸 7 1 3 二磷酸甘油酸转化成 3 磷酸甘油酸和 ATP 由磷酸甘油酸激酶催化 这是酵解过程中的第一次底物水平磷酸化反应 也是酵解过程中第一次产生 ATP 的反应 一分子 Glc 产生二分子三碳糖 共产生 2ATP 这样可抵消 Glc 在两次磷酸化时消耗的 2ATP 8 3 磷酸甘油酸转化成 2 磷酸甘油酸 磷酸甘油酸变位酶催化 磷酰基从 C3 移至 C2 9 2 磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸 烯醇化酶 2 磷酸甘油酸中磷脂键是一个低能键 G 17 6Kj mol 而磷酸烯醇式丙酮酸中的磷 酰烯醇键是高能键 G 62 1Kj mol 因此 这一步反应显著提高了磷酰基的转移势 能 10 磷酸烯醇式丙酮酸生成 ATP 和丙酮酸 不可逆调节位点 由丙酮酸激酶催化 丙酮酸激酶是酵解途径的第三个调节酶 这是酵解途径中的第二次底物水平磷酸化反应 磷酸烯醇式丙酮酸将磷酰基转移给 ADP 生成 ATP 和丙酮酸 EMP 总反应式 1 葡萄糖 2Pi 2ADP 2NAD 2 丙酮酸 2ATP 2NADH 2H 2H2O 2 糖酵解的能量变化 无氧情况下 净产生 2ATP 2 分子 NADH 将 2 分子丙酮酸还原成乳酸 有氧条件下 NADH 可通过呼吸链间接地被氧化 生成更多的 ATP 1 分子 NADH 2 5 1 分子 FAD 2 5 因此 净产生 ATP 酵解 2ATP 2 分子 NADH 进入呼吸氧化 共生成 6ATP 但在肌肉系统组织和神经系统组织 一个 Glc 酵解 净产生 6ATP 3 反应特点 两个阶段 六碳和三碳阶段 两步需能反应 己糖激酶 磷酸果糖激酶 一步脱氢 磷酸甘油醛脱氢酶 两步底物水平磷酸化 磷酸甘油酸激酶 丙酮酸激酶 三个限速步骤 己糖激酶 HK 磷酸果糖激酶 PFK 丙酮酸激酶 4 糖酵解中的反应类型 1 磷酸转移 G ATP G 6 P ADP 2 磷酸移位 3 PG 2 PG 3 异构化 DHAP G 3 P 4 脱水 2 PG PEP 5 醇醛断裂 F 1 6 2P DHAP G 3 P 5 两条穿梭途径 1 磷酸甘油穿梭机制 2 分子 NADH 进入线粒体 经甘油磷酸穿梭系统 胞质中磷酸二羟丙酮被还原成 3 磷酸 甘油 进入线粒体重新氧化成磷酸二羟丙酮 但在线粒体中的 3 磷酸甘油脱氢酶的辅基 是 FAD 因此只产生 3 分子 ATP 胞液中磷酸甘油脱氢酶 线粒体磷酸甘油脱氢酶 2 苹果酸穿梭机制 胞液中的 NADH 可经苹果酸脱氢酶催化 使草酰乙酸还原成苹果酸 再通过苹果酸 2 酮戊二酸载休转运 进入线粒体内 由线粒体内的苹果酸脱氢酶催化 生成 NADH 和草 酰乙酸 而草酰乙酸经天冬氨酸转氨酶作用 消耗 Glu 而形成 Asp Asp 经线粒体上的载体转运回 胞液 在胞液中 Asp 经胞液中的 Asp 转氨酶作用 再产生草酰乙酸 经苹果酸穿梭 胞液中 NADH 进入呼吸链氧化 产生 5 个 ATP 3 糖酵解中酶的反应类型 氧化还原酶 1 种 3 磷酸甘油醛脱氢酶 转移酶 4 种 己糖激酶 磷酸果糖激酶 磷酸甘油酸激酶 丙酮酸激酶 裂合酶 1 种 醛缩酶 异构酶 4 种 磷酸 Glc 异构酶 磷酸丙糖异构酶 磷酸甘油酸变位酶 烯醇化酶 三 糖酵解的调节 糖酵解过程有三步不可逆反应 分别由三个调节酶 别构酶 催化 调节主要就发生在 三个部位 1 已糖激酶调节 别构抑制剂 负效应调节物 G 6 P 和 ATP 别构激活剂 正效应调节物 ADP 2 磷酸果糖激酶调节 关键限速步骤 抑制剂 ATP 柠檬酸 脂肪酸和 H 激活剂 AMP F 2 6 2P ATP 细胞内含有丰富的 ATP 时 此酶几乎无活性 柠檬酸 高含量的柠檬酸是碳骨架过剩的信号 H 可防止肌肉中形成过量乳酸而使血液酸中毒 3 丙酮酸激酶调节 抑制剂 乙酰 CoA 长链脂肪酸 Ala ATP 激活剂 F 1 6 P 四 丙酮酸的去路 1 进入三羧酸循环 2 乳酸的生成 在厌氧酵解时 乳酸菌 剧烈运动的肌肉 丙酮酸接受了 3 磷酸甘油醛脱氢酶生成的 NADH 上的氢 在乳酸脱氢酶催化下 生成乳酸 总反应 Glc 2ADP 2Pi 2 乳酸 2ATP 2H2O 动物体内的乳酸循环 Cori 循环 肌肉收缩 糖酵解产生乳酸 乳酸透过细胞膜进入血液 在肝脏中异生为 Glc 解除乳酸积累引起的中毒 Cori 循环是一个耗能过程 2 分子乳酸 生成 1 分子 Glc 消耗 6 个 ATP 3 乙醇的生成 酵母或其它微生物中 经糖酵解产生的丙酮酸 可以经丙酮酸脱羧酶催化 脱羧生成乙 醛 在醇脱氢酶催化下 乙醛被 NADH 还原成乙醇 总反应 Glc 2pi 2ADP 2H 2 乙醇 2CO2 2ATP 2H20 在厌氧条件下能产生乙醇的微生物 如果有氧存在时 则会通过乙醛的氧化生成乙酸 制醋 4 丙酮酸进行糖异生 五 其它单糖进入糖酵解途径 除葡萄糖外 其它单糖也可进行酵解 各种单糖进入糖酵解的途径 1 糖原降解产物 G 1 P 2 D 果糖 有两个途径 3 D 半乳糖 4 D 甘露糖 六 意义 2 生物学意义 1 为代谢提供能量 2 提供中间产物 3 为彻底氧化准备原料 第二节第二节 三羧酸循环三羧酸循环 三羧酸循环 乙酰 CoA 经一系列的氧化 脱羧 最终生成 CO2 H2O 并释放能量的过程 又称柠檬酸循环 Krebs 循环 一 丙酮酸脱羧生成乙酰 CoA 1 此反应在真核细胞的线粒体基质中进行 这是连接糖酵解与 TCA 的中心环节 2 丙酮酸脱氢酶系 丙酮酸脱氢酶系是一个十分庞大的多酶体系 位于线粒体膜上 电镜下可见 E coli 丙酮酸脱氢酶复合体 分子量 4 5 106 直径 45nm 比核糖体稍大 酶 辅酶 每个复合物亚基数 催化反应 丙酮酸脱羧酶组分 E1 TPP 24 丙酮酸氧化脱羧 二氢硫辛酸转乙酰酶 E2 硫辛酰胺 24 二氢硫辛酸脱氢酶 E3 FAD 12 此外 还需要 CoA Mg2 NAD FAD TPP 硫辛酰胺 作为辅因子 这些肽链以非共价键结合在一起 在碱性条件下 复合体可以解离成相应的亚单位 在 中性时又可以重组为复合体 所有丙酮酸氧化脱羧的中间物均紧密结合在复合体上 活 性中间物可以从一个酶活性位置转到另一个酶活性位置 因此 多酶复合体有利于高效 催化反应及调节酶在反应中的活性 3 反应步骤 1 丙酮酸脱羧形成羟乙基 TPP 2 二氢硫辛酸乙酰转移酶 E2 使羟乙基氧化成乙酰基 3 E2 将乙酰基转给 CoA 生成乙酰 CoA 4 E3 氧化 E2 上的还原型二氢硫辛酸 5 E3 还原 NAD 生成 NADH 4 丙酮酸脱氢酶系的活性调节 从丙酮酸到乙酰 CoA 是代谢途径的分支点 此反应体系受到严密的调节控制 此酶系受 两种机制调节 1 可逆磷酸化的共价调节 丙酮酸脱氢酶激酶 EA 可被 ATP 激活 丙酮酸脱氢酶磷酸酶 EB 磷酸化的丙酮酸脱氢酶 无活性 去磷酸化的丙酮酸脱氢酶 有活性 2 别构调节 ATP CoA NADH 是别构抑制剂 ATP 抑制 E1 CoA 抑制 E2 NADH 抑制 E3 5 能量 1 分子丙酮酸生成 1 分子乙酰 CoA 产生 1 分子 NADH 2 5ATP 二 三羧酸循环 TCA 的过程 TCA 循环 每轮循环有 2 个 C 原子以乙酰 CoA 形式进入 有 2 个 C 原子完全氧化成 CO2 放 出 分别发生 4 次氧化脱氢 共释放 10ATP 1 反应步骤 1 乙酰 CoA 草酰乙酸 柠檬酸 柠檬酸合酶 TCA 中第一个调节酶 受 ATP NADH 琥珀酰 CoA 和长链脂肪酰 CoA 的抑 制 受乙酰 CoA 草酸乙酸激活 它是柠檬酸循环中的限速酶 氟乙酰 CoA 可与草酰乙酸生成氟柠檬酸 抑制下一步反应的酶 据此 可以合成杀虫剂 灭鼠药 2 柠檬酸 异柠檬酸 这是一个不对称反应 由顺鸟头酸酶催化 3 异柠檬酸氧化脱羧生成 酮戊二酸和 NADH 这是三羧酸循环中第一次氧化脱羧反应 异柠檬酸脱氢酶 TCA 中第二个调节酶 Mg2 Mn2 NAD 和 ADP 可活化此酶 NADH 和 ATP 可抑制此酶活性 细胞在高能状态 ATP ADP NADH NAD 比值高时 酶活性被抑制 线粒体内有二种异柠檬酸脱氢酶 一种以 NAD 为电子受体 另一种以 NADP 为受体 前 者只在线粒体中 后者在线粒体和胞质中都有 4 酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰 CoA 和 NADH 酮戊二酸脱氢酶系 TCA 循环中的第三个调节酶 受 NADH 琥珀酰 CoA Ca2 ATP GTP 抑制 酮戊二酸脱氢酶系为多酶复合体 与丙酮酸脱氢酶系相似 先脱羧 后脱氢 5 琥珀酰 CoA 生成琥珀酸和 GTP 琥珀酰 CoA 合成酶 琥珀酸硫激酶 这是 TCA 中唯一的底物水平磷酸化反应 直接生成 GTP 在高等植物和细菌中 硫酯键水解释放出的自由能 可直接合成 ATP 在哺乳动物中 先合成 GTP 然后在核苷二磷酸激酶的作用下 GTP 转化成 ATP 6 琥珀酸脱氢生成延胡索酸 反丁烯二酸 和 FADH 琥珀酸脱氢酶是 TCA 循环中唯一嵌入线粒体内膜的酶 丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂 可阻断三羧酸循环 7