《生物化学》-第9章

９.１多糖和低聚糖的酶促降解多糖和低聚糖分子大,不能透过细胞膜,所以在生物利用之前必须要水解成单糖;另外,多糖和低聚糖要进行彻底降解,也必须先在酶的催化下水解成单糖才能进入分解途径.生物体内不同的多糖和低聚糖的水解方式有所不同,但水解都需要酶的催化来完成.9.1.1淀粉的酶促降解淀粉的直链由葡萄糖单元α-１,４-糖苷键连接,分支部分由α-１,６-糖苷键连接.淀粉在细胞外的降解主要是一种加水分解的过程,需要多种糖苷酶催化来水解,主要包括:α-淀粉酶、β-淀粉酶、α-１,６-糖苷酶等.淀粉是由葡萄糖以α-１,４-糖苷键和α-１,６-糖苷键组成,所以水解的过程其实就是水解α-１,４-糖苷键和α-１,６-糖苷键的过程.下一页返回９.１多糖和低聚糖的酶促降解9.1.2淀粉或糖原的磷酸的解———细胞内降解淀粉或糖原在细胞内的降解是经过磷酸化酶的磷酸解作用生成葡糖-１-磷酸,但磷酸化酶只作用于α-１,４-糖苷键,对分支位置的α-１,６-糖苷键不起作用,所以彻底降解还需要脱支酶的两种活性才可.细胞内,在磷酸化酶的作用下,淀粉或糖原的非还原端的葡萄糖逐个降解下来形成葡萄糖-１-磷酸,持续降解至分支点前有四个葡萄糖残基时为止.这时在脱支酶(寡聚-１,４-葡萄糖转移活性)的催化下,将糖原分支上的３个葡萄糖残基转移至主链的非还原末端,然后在分支点处只留下一个α-１,６-糖苷键连接的葡萄糖残基.上一页下一页返回９.１多糖和低聚糖的酶促降解之后,再在脱支酶(α-１,６-葡萄糖苷键酶活性)的催化下,将分支处的那一个葡萄糖残基水解为游离的葡萄糖.淀粉或糖原的其他所有分支都可依次降解,最终被彻底水解为葡萄糖-１-磷酸和葡萄糖(只有分支处的葡萄糖残基才水解为葡萄糖)9.1.3纤维素的酶促降解纤维素是由β-D-葡萄糖以β-１,４-糖苷链连接而成的多糖,没有分支.纤维素组成单位是纤维二糖,不能被人体吸收和利用,但是能促进人肠胃的蠕动,起到增加消化、减少便秘、降低得直肠癌的概率的作用.上一页下一页返回９.１多糖和低聚糖的酶促降解可以被微生物和反刍动物利用,原因是人体消化道中没有水解纤维素的酶,但是很多微生物如真菌、细菌、放线菌等能产生水解纤维素的酶,反刍动物本身也不能产生水解纤维素的酶,但反刍动物胃里有能产生水解纤维素酶的微生物.纤维素的降解需要纤维素酶和纤维二糖酶共同作用,纤维素酶首先把纤维素降解为纤维二糖,然后在纤维二糖酶的作用下彻底水解为葡萄糖.9.1.4双糖的酶促水解上一页下一页返回９.１多糖和低聚糖的酶促降解双糖主要有麦芽糖、蔗糖、乳糖和纤维二糖等,双糖的酶水解主要在双糖酶的催化下进行.双糖酶主要有麦芽糖酶、蔗糖酶、乳糖酶和纤维二糖酶,它们都属于糖苷酶,广泛存在于植物、微生物和动物的小肠液中.人和动物摄入的单糖和低聚糖在消化道中被降解为单糖后可被小肠吸收进行血液.首先经门静脉进入肝脏,一部分合成肝糖原进行贮存,另一部分通过肝静脉到血液系统中成为血糖,经过血液循环将葡萄糖运送到机体各组织细胞进行合成与代谢等方面的利用.上一页下一页返回９.１多糖和低聚糖的酶促降解人和动物摄入的多糖和低聚糖在消化道降解后的单糖除了有葡萄糖外,还有果糖、半乳糖等单糖,这些单糖进入血液后广义上来讲都叫血糖,但临床上血糖专指血液中的葡萄糖.血糖是一项重要的生化指标,每一种动物血糖的正常值都是相对恒定的,如人体空腹血糖的正常值为３.９~６.１mmol/L(７０~１１０m-/dL).上一页返回９.２糖的分解代谢9.2.1糖酵解糖酵解(-lycolysis)是指１分子葡萄糖经过一系列酶促反应被(氧化)分解成２分子丙酮酸,并产生NADH和少量ATP的过程.此过程主要由德国Embden、Meyerhof和Parnas三位科学家首先发现,因此也称为EMP途径(Embden-Meyerhof-Parnaspathway).１.糖的无氧分解(糖酵解)的过程酵解过程共包括１０个酶连续催化的１１步反应,可以分为三个阶段:己糖磷酸酯的生成(活化)、丙糖磷酸的生成(裂解)、甘油醛-３-磷酸生成丙酮酸(放能).下一页返回９.２糖的分解代谢2.糖酵解中能量的计算糖酵解生成丙酮酸的过程是一个释放能量的过程,其产能的方式是底物水平磷酸化,按１分子葡萄糖计算,则整个过程净生成ATP数量为(２×２－２＝)２ATP;若从糖原开始计算,按糖原中１分子葡萄糖残基算,比从葡萄糖开始第一阶段多一步反应,但少消耗了１分子ATP,则生成(２×２－１＝)３ATP.葡萄糖分解成乳酸的过程中,自由能减少１９６kJ/mol,从糖原算起,自由能减少为１８３kJ/mol.ATP水解时,Δ-０′＝－３０.５１４kJ/mol,所以如果生成２molATP相当于捕获６１.０２８kJ的能量,故葡萄糖分解为乳酸的获能效率为:６１.０２８/１９６＝３１％,同理,可计算出糖原分解为乳酸的获能效率为４９.７％.上一页下一页返回９.２糖的分解代谢3.糖酵解的意义几乎所有的真核生物都可进行糖酵解,从酵解过程看,葡萄糖并没有完全分解,产生的能量也不多,对于需氧生物而言,能量太少,意义不大.但糖酵解也有重要意义:①释放的能量虽少,使机体在缺氧的情况下仍能进行生命活动.②酵解过程的中间产物可以为机体提供碳骨架,与其他物质的合成与分解相联系.4.糖酵解的调节糖酵解速度受多个酶调节,主要是催化不可逆反应的三个激酶.上一页下一页返回９.２糖的分解代谢(１)己糖激酶的调节受葡萄糖-６-磷酸别构抑制,若葡萄糖-６-磷酸积累时,该酶活性降低,但积累的葡萄糖-６-磷酸可异生为糖原或进行戊糖磷酸途径,所以该酶不是最关键的限速酶.(２)果糖磷酸激酶的调节果糖磷酸激酶是酵解过程中最关键的限速酶.ATP/AMP比值对该酶的活性起到调节作用,当比值高时,该酶几乎无活性,酵解减弱;反之,活性恢复,酵解加强.另外,H＋可抑制果糖磷酸激酶的活性,防止肌肉中生成过多的乳酸而引起血液酸中毒;柠檬酸含量高,说明ATP充足,也可间接抑制该酶的活性.上一页下一页返回９.２糖的分解代谢(３)丙酮酸激酶活性的调控果糖-１,６-二磷酸是其激活剂,可使酵解加强;丙氨酸是该酶的别构抑制剂;ATP、乙酰CoA等也可通过抑制该酶的活性达到降低酵解速度的目的.9.2.2糖的有氧分解在有氧的条件下,葡萄糖彻底氧化成H２O和CO２,并释放出大量能量的过程称为有氧氧化(aerobicoxidation),也叫有氧分解.有氧分解是生物体获得能量的主要方式,其产生的能量是无氧氧化产生能量的１５~１６倍.上一页下一页返回９.２糖的分解代谢１.糖的有氧分解的过程糖的有氧分解过程在细胞的细胞质基质和线粒体两个部位进行.整个代谢途径可分为三个阶段:第一个阶段是在细胞质基质中进行糖酵解过程(葡萄糖分解成丙酮酸),第二个阶段是在线粒体内膜上进行丙酮酸氧化脱羧(丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A),第三个阶段是在线粒体内进行三羧酸循环(乙酰辅酶A经过循环彻底氧化分解为H２O和CO２).２.糖的有氧分解的反应特点有氧分解代谢途径的特点总体来讲是在细胞质基质和线粒体内把糖彻底氧化分解,释放出大量能量.上一页下一页返回９.２糖的分解代谢３.糖的有氧分解中能量的计算糖有氧氧化的直接目的是为机体提供能量,在有氧氧化过程中产生能量的方式有底物水平磷酸化,也有电子传递体系磷酸化.总反应方程式是:４.糖的有氧分解的意义①糖的有氧分解是机体利用糖氧化而得能量的最有效的方式,产生的能量最多.上一页下一页返回９.２糖的分解代谢②三羧酸循环首先是在鸽的横纹肌和鸽肝中证实而提出的,后来发现动、植、微生物均有此循环,所以对所有生物均有意义.③三羧酸循环不仅是糖类氧化分解产生ATP的主要途径,也是脂类、氨基酸等最终氧化分解产生能量的共同途径.④整个有氧分解过程产生了许多种中间化合物,可为机体中的其他物质的代谢提供多种化合物的碳骨架.５.糖的有氧分解的调节①糖酵解阶段的调控:见糖无氧酵解的调节.上一页下一页返回９.２糖的分解代谢②丙酮酸氧化脱羧的调控,即丙酮酸脱氢酶系的调控:NAD＋和CoA是其激活剂,乙酰CoA和NADH是其抑制剂.该酶催化的反应是糖分解代谢过程中糖彻底氧化分解的枢纽,是关键位置的反应.③三羧酸循环的调控,即三种催化不可逆反应的酶的调控:柠檬酸合酶是本阶段最关键的限速酶,该酶受高浓度的乙酰CoA和草酰乙酸激活,受ATP、NADH、琥珀酰CoA抑制;异柠檬酸脱氢酶,受Ca２＋和ADP的别构激活,受NADH的抑制;α-酮戊二酸脱氢酶复合物也是比较关键的限速酶,受ADP和NAD＋的激活,受ATP、NADH、琥珀酰CoA的抑制.上一页下一页返回９.２糖的分解代谢9.2.3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途径,但不是唯一途径.实验研究表明:在组织中添加酵解抑制剂如碘乙酸(抑制甘油醛-３-磷酸脱氢酶),糖的无氧及有氧分解都不能进行,但葡萄糖仍可以被消耗,这就说明葡萄糖还有其他的代谢途径,戊糖磷酸途径(pentosephosphatepathway,PPP)就是其中的一种.戊糖磷酸途径是从葡萄糖-６-磷酸脱氢反应开始的,经一系列代谢反应生成戊糖磷酸等中间代谢物,然后再重新进入糖氧化分解代谢途径的一条旁路代谢途径,也称己糖磷酸支路.上一页下一页返回９.２糖的分解代谢１.戊糖磷酸途径的过程戊糖磷酸途径的代谢起始物是葡萄糖-６-磷酸,返回的代谢终产物是甘油醛-３-磷酸和果糖-６-磷酸,其重要的中间代谢产物是核糖-５-磷酸和NADPH.戊糖磷酸途径在细胞的细胞质基质(cytoplasm)中进行,最关键酶是葡萄糖-６-磷酸脱氢酶(-lucose-６-phosphatedehydro-enase).全部代谢过程可分为两个阶段:氧化反应阶段和非氧化反应阶段.２.戊糖磷酸途径的特点①整个过程分为氧化阶段和非氧化阶段,反应部位是细胞质基质.②不需要ATP参与,在低ATP浓度的情况下也可进行.上一页下一页返回９.２糖的分解代谢③整个反应过程中,脱氢酶的辅酶是NADP＋而非NAD＋.④葡萄糖直接脱氢或脱羧,不经过酵解,也不经过三羧酸循环.３.戊糖磷酸途径的生理意义戊糖磷酸途径所用的酶在许多动物植物材料中都被发现,说明该途径也是普遍存在的一种糖代谢方式.它的主要生理意义是:１)是生物体内生成NADPH的主要途径.NADPH的主要作用有:①作为供氢体,参与体内的合成代谢,如参与合成脂肪酸、胆固醇、一些氨基酸.②参与羟化反应:作为加单氧酶的辅酶,参与对代谢物的羟化.③使氧化型谷胱甘肽还原.④维持巯基酶的活性.上一页下一页返回９.２糖的分解代谢⑤维持红细胞膜的完整性:葡萄糖-６-磷酸脱氢酶遗传性缺陷可导致蚕豆病,表现为溶血性贫血.２)是体内生成５-磷酸核糖的唯一代谢途径.体内合成核苷酸和核酸所需的核糖或脱氧核糖均以５-磷酸核糖的形式提供,这是体内唯一的一条能生成５-磷酸核糖的代谢途径.３)磷酸戊糖途径是体内糖代谢与核苷酸及核酸代谢的交汇途径.４)提供了丙糖、丁糖、戊糖、己糖、庚糖的一种转化途径.上一页下一页返回９.２糖的分解代谢9.2.4乙醛酸循环植物和某些微生物(大肠杆菌、醋酸杆菌等)及一些无脊椎动物能够利用乙酸或其他在体内能够转化为乙酰CoA的物质作为唯一碳源来构建自己的身体.后来,从它们体内分离出两种特异的酶:苹果酸合成酶和异柠檬酸裂解酶,并发现它们的代谢过程是与三羧酸循环相关联的一个小循环,所以称为三羧酸循环的支路.因其循环过程中以乙醛酸为中间代谢物,所以称为乙醛酸循环(-lyoxylatecycle).上一页返回９.３糖的合成代谢9.3.1糖异生作用糖异生(-luconeo-enesis)泛指细胞内非糖物质如甘油、丙酮酸、乳酸及某些氨基酸等合成葡萄糖的过程.它主要是在动物肝脏(约８０％)和肾脏(约２０％)中完成,是动物细胞自身合成糖的唯一途径.在植物和某些微生物体内,通过乙醛酸循环可把乙酰CoA或能降解为乙酰CoA的物质作为前体,也可以进行糖异生.１.糖异生的反应过程糖异生的过程基本上是糖酵解过程的逆过程,如果从丙酮酸开始进行糖异生,只需要克服糖酵解过程的三个酶(己糖激酶、果糖磷酸激酶和丙酮酸激酶)催化的不可逆反应,然后再利用酵解过程的其他酶作用即可进行糖异生.下一页返回９.３糖的合成代谢２.糖异生的前体以丙酮酸为中心,糖异生作用的三种主要原料有乳酸、甘油和氨基酸.乳酸在乳酸脱氢酶作用下转变为丙酮酸,经前述糖异生途径合成葡萄糖;甘油被磷酸化生成磷酸甘油后,氧化成二羟丙酮磷酸,再循糖酵解逆行过程合成糖;氨基酸则通过多种渠道成为糖酵解或糖有氧氧化过程中的中间产物,然后生成糖;三羧酸循环中的各种羧酸则可转变为草酰乙酸,然后生成糖.３.糖异生的意义(１)糖异生作用的主要生理意义是保证在饥饿情况下,血糖浓度的相对恒定上一页下一页返回９.３糖的合成代谢(２)糖异生作用与乳酸的作用密切关系(３)协助氨基酸代谢４.糖异生的调节糖异生的限速酶主要有以下４种:丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶、果糖-１,６-二磷酸酯酶和葡萄糖-６-磷酸酯酶.但糖异生和糖配酵解是两个相反的代谢途径,对这两条代谢的调节主要有以下几个方面.①高浓度的葡萄糖-６-磷酸可抑制己糖激酶而活化葡萄糖-６-磷酸酯酶,从而抑制糖酵解,促进糖异生.上一页下一页返回９.３糖的合成代谢②ATP激活果糖-１,６-二磷酸酯酶和丙酮酸羧化酶,而抑制果糖磷酸激酶和丙酮酸激酶,从而促进糖异生,抑制酵解途径.③果糖-２,６-二磷酸是调节糖异生和糖酵解途径的一种强效应物.当葡萄糖含量高时,激素调节使果糖-２,６-二磷酸增加,从而激活果糖磷酸激酶,而强烈抑制果糖-１,６-二磷酸酯酶的活性,从而促进酵解途径,抑制糖异生.上一页下一页返回９.３糖的合成代谢9.3.2糖原的合成糖原是动物体内葡萄糖的贮存形式,当人和动物的能量充足时,肝脏和肌肉组织就把葡萄糖合成为糖原贮存起来;当能量供应不足时,糖原分解为葡萄糖,氧化释放能量.糖原的分解与合成对血糖水平的调节起重要作用.由葡萄糖合成糖原的过程称为糖原的生成作用,主要部位是动物的肝脏和肌肉组织.其合成过程概括如下:①葡萄糖生成葡萄糖-６-磷酸.由己糖激酶催化.②葡萄糖-６-磷酸生成葡萄糖-１-磷酸.由葡萄糖磷酸变位酶催化.上一页下一页返回９.３糖的合成代谢③葡萄糖-１-磷酸生成尿苷二磷酸葡萄糖(UDP-).由尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶催化.④在引物上与UDP-合成糖原.由糖原合成酶催化.能充当糖原合成的引物分子有两种:一种是还没有完全降解的糖原分子的残留,在其非还原端可以进行合成;另一种是结合一个寡糖链的多肽,在多糖的非还原端进行合成.⑤将α-１,４-糖苷键转变为α-１,６-糖苷键产生分支.由分支酶催化.糖原的所有分支及分支的产生可以由上面五步循环来完成.其合成的特点有:①合成糖原的葡萄糖供体主要由UDP-来提供;②合成需要引物;③合成的方向是从还原端向非还原端;上一页下一页返回９.３糖的合成代谢④分支的产生需要分支酶催化.糖原分解的关键酶