糖及糖代谢.ppt

1、,第七章 糖及糖代谢,糖类,引言（糖类的化学本质、分类、生物学意义） 单糖（结构、性质、重要单糖及其衍生物） 寡糖 多糖 糖链的结构分析,一、引言（糖类的化学本质、分类、生物学意义）,最初，糖类化合物用Cn(H2O)m表示，统称碳水化合物。,鼠李糖及岩藻糖（C6H12O5)、脱氧核糖（C5H10O4),化学本质：,糖类是多羟基的醛或多羟基酮及其缩聚物和某些衍生物的总称。,糖类的生物学意义：1.是一切生物体维持生命活动所需能量的主要来源；2.是生物体合成其它化合物的基本原料；3.充当结构性物质；4.是细胞识别的信息分子。,糖的分类：,糖类化合物,单糖,寡糖,多糖,：不能水解的最简单糖类，是多羟基

2、的醛或酮的衍生物（醛糖或酮糖）,：有210个分子单糖缩合而成，水解后产生单糖,：由多分子单糖或其衍生物所组成，水解后产生原来的单糖或其衍生物。,同多糖,杂多糖,糖复合物,异构（同分异构）：有相同的组成，相同的分子式。分结构异构（结构式及构造不同）和立体异构（结构式相同，但原子的空间分布不同）。 立体异构又分几何异构（顺反异构）和光学异构（旋光异构），旋光异构是由于分子存在手性造成的。 组成：相同数目和种类的原子。 构造：原子连接在一起的次序。 构型：具有相同结构式的立体异构中取代基团在空间的相对取向。不同构型的互变需要共价键的破裂。(如D- L) 构象：具有相同结构式和相同构型的分子在空间里可

3、能的多种形态。构象形态间的改变不涉及共价键的破裂。(如G的船式 椅式） 旋光性：当平面偏振光通过旋光物质的溶液时，光的偏振面会向右（顺时针或正）或左（逆时针或负）旋转。旋光物质使平面偏振光发生旋转的能力为旋光性、光学活性或旋光度。 不对称碳原子：与四个不同原子或原子团共价结合，也称手性碳原子或手性中心。,二、单糖（结构、性质、重要单糖及其衍生物）,单糖有D-及L-两种异构体。凡在理论上可由D-甘油醛衍生出来的单糖皆为D-型糖。（通常指离羰基碳最远的性碳原子的构型）,含个n手性碳原子的化合物，旋光异构体的数目是2n,D-葡萄糖,L-艾杜糖,任一旋光化合物都只有一个对映体，其它旋光异构体称非对映异

4、构体。 只一个手性碳原子的构型不同的非对映异构体称为差向异构体。,链状,环状,葡萄糖,羰基碳上形成的差向异构体称异头物。羰基碳上的羟基与最末的手性碳原子的羟基具有相同取向的异构体称异头物。,呋喃果糖,葡萄糖的结构,多羟基醛的开环形式,半缩醛 （溶液时的主要形式）,吡喃糖 （较稳定-G）,呋喃糖,葡萄糖的构象,船式,椅式 （是环己烷的优势构象）,三、单糖的性质,物理性质： 1. 旋光性： 几乎所有单糖及衍生物都具有旋光性；许多单糖在水溶液中发生变旋现象（新配置的溶液会发生旋光度的改变），这是由于异头物在水溶液中通过直链形式可以互变，经一定时间后达到平衡。,2.甜度: 蔗糖-1 葡萄糖-0.7 果

5、糖-1.7,3.溶解性 易溶于水。,化学性质：,异构化：室温、碱性条件 烯醇化,形成糖酯：,形成糖苷,氧化成糖酸,与苯肼形成糖脎 ：糖脎 很稳定，不溶于水，黄色结晶。可用于鉴别多种还原糖（晶形、熔点）。,还原成糖醇,自然界存在的重要单糖及其 衍生物,单糖的重要衍生物：,糖醇：较稳定，有甜味，吸收慢，不易被细菌利用。甘露醇、山梨醇,糖醛酸：由单糖的伯醇基氧化而得。葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸,氨基糖：糖中的羟基为氨基所取代。D-氨基葡萄糖,糖苷：单糖的半缩醛上羟基与非糖物质（醇、酚等）的羟基形成的缩醛。洋地黄苷、皂角苷,三、寡糖,寡糖是少数单糖（210个） 缩合的聚合物。,自然界中最常见的寡糖是双糖。

6、麦芽糖、蔗糖、乳糖、纤维二糖,蔗糖：由-D-葡萄糖和-D-果糖各一分子按 、（12）键型缩合、失水形成的 。它是植物体内糖的运输形式 。,非还原糖,1,2,乳 糖 葡萄糖-（14）半乳糖苷,是还原糖,半乳糖,葡萄糖,存在哺乳动物的乳汁中，及高 等植物的花粉管及微生物中,麦芽糖是由两个葡萄糖分子缩合、失水形成的。其糖苷键型为（14）。麦芽糖分子内有一个游离的半缩醛羟基，具有还原性。,1,4,四、多糖,多糖是由多个单糖基以糖苷键相连而形成的高聚物。,多糖没有还原性和变旋现象，无甜味，大多不溶于水。,多糖的结构包括单糖的组成、糖苷键的类型、单糖的排列顺序3个基本结构因素。,多糖代表物,（一）淀粉与糖

7、原,天然淀粉由直链淀粉（以-(1,4)糖苷键连接）与支链淀粉（分支点为-(1,6)糖苷键）组成。,淀粉与碘的呈色反应与淀粉糖苷链的长度有关： 链长小于6个葡萄糖基，不能呈色。 链长为20个葡萄糖基，呈红色。 链长大于60个葡萄糖基，呈蓝色。,糖原又称动物淀粉，与支链淀粉相似，与碘反应呈红紫色。,同多糖,直链淀粉中葡萄糖以-1，4糖苷键缩合而成。每个直链淀粉分子只有一个还原端基和一个非还原端基。遇碘显蓝紫色,碘与直链淀粉靠范德华力结合,分子量在10000-50000之间。,支链淀粉中葡萄糖主要以-1，4糖苷键相连，少数以-1，6糖苷键相连，所以支链淀粉具有很多分支。遇碘显紫色或紫红色。,分子量在

8、50000-100000,糖原,遇碘显红色,（二）纤维素,纤维素是自然界最丰富的有机化合物，是一种线性的由D-吡喃葡萄糖基借-(1,4)糖苷键连接的没有分支的同多糖。微晶束相当牢固。,（三）壳多糖（几丁质）,由N-乙酰-D-氨基葡萄糖以-(1,4)糖苷键缩合成的同多糖。比较坚硬，为甲壳动物等的机构材料。,（四）葡聚糖（细菌和酵母中葡萄糖的储存形式）：葡萄糖残基主 要以-1，6糖苷键连接的高聚物，偶有分支，存在-1，2； -1，3； -1，4键。,杂多糖,（五）糖胺聚糖,也称为粘多糖。肝素、透明质酸、硫酸角质素和硫酸软骨素。含有己糖胺和己糖醛酸。,粘多糖的结构,透明质酸,硫酸角质素,硫酸软骨素,

9、糖复合物,是糖类的还原端和其他非糖组分以共价键结合的 产物。,肽聚糖 细胞壁多糖,肽聚糖 细胞壁多糖,肽聚糖的结构,肽聚糖由胞壁肽重复排列构成,胞壁肽,含有四肽侧链的二糖单位,多糖以共价键形式与蛋白质连接形成的生物大分子。 多糖中多为糖的衍生物，如N-乙酰氨基多糖等（常见的糖是半乳糖或甘露糖） 寡糖链多是分支的，一般仅含有15个以下的单糖，分子量在540-3200。但糖链数目变化很大,糖蛋白,寡糖链与多肽链(蛋白质)中的氨基酸以多种形式共价连接，构成糖蛋白的糖肽连接健，简称糖肽键，糖肽连接键的类型主要有： 1以丝氨酸、苏氨酸和羟赖氨酸的羟基为连接点，形成-0-糖苷键型； 2以天冬酰胺的酰胺基、

10、N-末端氨基酸的氨基以及赖氨酸或精氨酸的氨基为连接点，形成-N-糖苷键型；,糖蛋白，在植物和动物(微生物并不如此)中较为典型。这些糖蛋白可被分泌、进入体液或作为膜蛋白。它们包括许多酶、大分子蛋白质激素、血浆蛋白、全部抗体、补体因子、血型物质和粘液组分以及许多膜蛋白。,糖蛋白的功能,膜蛋白中的糖,膜蛋白分子中的糖,糖链的分支结构,糖蛋白中寡糖链末端糖基组成的不同决定人体的血型。,蛋白聚糖 是一类特殊的糖蛋白，由一条或 多条糖胺聚糖和一个核心蛋白共价连接而成。 蛋白聚糖除含糖胺聚糖链外，也有少数N-或O-连接的寡糖链。 蛋白聚糖与糖蛋白相比，蛋白聚糖中按重量计算，糖的比例高于蛋白质；糖部分主要是不

11、分支的糖胺聚糖链。,蛋白聚糖中的多糖,硫酸角质素,硫酸软骨素,糖链的结构分析 糖链结构分析的步骤（以糖蛋白为例）： 1.糖蛋白的分离纯化 2.从糖蛋白中释放出完整的聚糖 3.聚糖的分离纯化 4.聚糖的纯度鉴定和相对分子量的测定 5.单糖组分的测定 6.完整聚糖链的序列测定,糖代谢,糖酵解 柠檬酸循环 戊糖磷酸途径和糖的其它代谢途径 糖原代谢,糖酵解,概述 糖酵解途径亦称EMP途径pathway，以纪念Embden，Mayerholf 和Parnas。 糖酵解是发生在原核细胞和真核细胞的胞质溶胶中的一组反应。 在无氧条件下，葡萄糖进行分解，形成2分子丙酮酸并提供能量，这一过程称为糖酵解作用。 E

12、MP途径是生物体内普遍存在的葡萄糖降解的途径。,糖酵解的反应过程,糖酵解的终产物为丙酮酸，一分子葡萄糖经糖酵解可净生成两分子ATP。 糖酵解的反应过程可分为活化、裂解、放能三个阶段。,1.活化-己糖磷酸酯的生成。（G F-1,6-2P ）,+ ATP,己糖激酶,+ ADP,G,G-6-P,Mg2+,葡萄糖激酶,磷酸葡萄糖异构酶,F-6-P,+ ATP,磷酸果糖激酶 （PFK）,F-1,6-2P,+ ADP,Mg2+,己糖激酶,磷酸葡萄糖异构酶,磷酸果糖激酶,ATP,ADP,ATP,ADP,*,*,(1),(2),(3),活化,2.裂解磷酸丙糖的生成,+,醛缩酶,磷酸二羟丙酮,丙糖磷酸异构酶,3

13、磷酸甘油醛,裂解,醛缩酶,丙糖磷酸异构酶,(4),(5),3.放能丙酮酸的生成。,+NAD+ + Pi,+NADH+H+,甘油醛3-磷酸脱氢酶,+ADP,+ATP,磷酸甘油酸激酶,Mg2+,3-磷酸甘油酸,2- 磷酸甘油酸,磷酸甘油酸变位酶,烯醇化酶,+ H2O,PEP,+ADP,丙酮酸激酶,+ ATP,Mg2+,Mg2+,丙酮酸,(6),(7),(8),ATP,ADP,磷酸甘油酸变位酶,3-磷酸甘油醛 脱氢酶,磷酸甘油酸激酶,NAD+Pi,NADH+H+,放能,烯醇化酶,丙酮酸激酶,*,ATP,ADP,自发,H2O,PEP,丙酮酸,放能,烯醇式丙酮酸,葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸,ATP,ADP

14、,己糖激酶,果糖-6-磷酸,磷酸葡萄糖异构酶,ATP,ADP,磷酸果糖激酶,果糖-1，6-二磷酸,醛缩酶,甘油醛-3-磷酸,二羟丙酮磷酸,1,3-二磷酸甘油酸,丙糖磷酸异构酶,甘油醛-3-磷酸脱氢酶,NAD +pi NADH+H +,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,磷酸烯醇丙酮酸,丙酮酸,ADP,ATP,磷酸甘油酸激酶,磷酸甘油酸变位酶,烯醇化酶,丙酮酸激酶,ADP,ATP,糖酵解途径,H2O,丙酮酸的去路,丙酮酸,有氧,乙酰CoA,柠檬酸循环,无氧,乳酸,乙醇 +CO2,脂肪酸，酮体,丙酮酸的无氧降解,葡萄糖,EMP,生成乳酸或乙醇,+ NADH + H+,乳酸脱氢酶（LDH）,+ NAD+

15、,Pyr,Lac,丙酮酸脱羧酶,+ CO2,+ NADH + H+,醇脱氢酶,+ NAD+,能量收获 糖酵解代谢途径可将一分子葡萄糖分解为两分子丙酮酸，两分子NADH,净生成两分子ATP。,C6H12O6 + 2Pi + 2ADP +2NAD+ 2CH3COCOOH + 2ATP+2NADH+2H + + H2O,糖酵解的调节,糖酵解代谢途径的调节主要是通过各种变构剂对三个关键酶进行变构调节。,在酵解过程中有三个不可逆反应，即有三个调控步骤，分别被三个关键酶酶多点调节：己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶。己糖激酶可以控制葡萄糖的进入，丙酮酸激酶调节酵解的出口。,1. 磷酸果糖激酶（PFK）：

16、磷酸果糖激酶是调节糖酵解代谢途径的主要因素。,磷酸果糖激酶,ATP 柠檬酸H+,ADP、AMP 果糖2,6-二磷酸,果糖6-磷酸,果糖2、6-二磷酸,果糖6-磷酸 激活,PFK2,FBPase2,ATP,ADP,果糖6-磷酸 抑制,Pi,PFK2和FBPase2的催化活性在同一条多肽链上，是双功能酶。,2. 己糖激酶或葡萄糖激酶： 己糖激酶及葡萄糖激酶的变构剂,己糖激酶,葡萄糖激酶,G-6-P,长链脂酰CoA,3. 丙酮酸激酶：,丙酮酸激酶,ATP 丙氨酸(肝),果糖1,6-二磷酸,糖酵解的生理意义,1.在生物体内普遍存在， 在无氧和缺氧条件下都进行，是葡萄糖分解的共同代谢途径。提供能量。 2

17、. 形成的中间产物，可作为合成其它物质的原料。 糖酵解有二重作用：降解产生ATP; 产生含碳的中间物为合成反应提供原料。,酵解的其他底物,糖原 或 淀粉,G-1-P,G-6-P,F-6-P,F-1,6-2P,3-磷酸甘油醛 酵解,二羟丙酮磷酸,3-磷酸甘油,NAD+,NADH+H+,甘油,ATP,ADP,ATP,ADP,F,ATP,ADP,G,ATP,ADP,UDPG,UDP半乳糖,半乳糖-1-磷酸,半乳糖,ATP,ADP,柠檬酸循环,作用：柠檬酸循环又称TCA(三羧酸）循环，用于将葡萄糖酵解形成的丙酮酸氧化为CO2和H2O。这一循环是形成ATP的主要途径，也为许多生物合成途径生产前体。 场所

18、：真核生物柠檬酸循环在线粒体内进行。原核生物在胞质溶胶中进行。,丙酮酸进入TCA循环的准备 形成乙酰CoA,丙酮酸进入线粒体:丙酮酸在丙酮酸脱氢酶系的催化下氧化脱羧生成乙酰CoA。,丙酮酸脱氢酶系,NAD+ +HSCoA,NADH+H+ +CO2,*,酶： 这一多酶复合体位于线粒体膜上，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-丙酮酸脱氢酶（也叫丙酮酸脱羧酶） E2-二氢硫辛酰转乙酰基酶 E3-二氢硫锌酸脱氢酶。,焦磷酸硫胺素（TPP)、硫辛酰胺（酸）、 COASH、FAD、NAD+、Mg2+,丙酮酸的氧化脱羧作用,这一反应是通过包括丙酮酸脱氢酶在内的一系列酶经几步反应

19、催化完成的。这种酶复合物在线粒体膜上，因此，由葡萄糖得到的碳原子是以丙酮酸形式进入线粒体的。 反应大量放能，不可逆，实际机制中包括三个酶即丙酮酸脱氢酶（E1） ，二氢硫辛酰转乙酰基酶（E2） ，二氢硫辛酸脱氢酶（E3） 和六种辅助因子：TPP，硫辛酰胺，NAD+，FAD，HSCoA和Mg2+。它们有条不紊地组成了丙酮酸脱氢酶复合物。,砷化物对硫辛酰胺的毒害作用 三价砷与甘油醛3磷酸脱氢酶结合 三价砷与二氢硫酸的-SH结合，使酶复合体失活，呼吸停止。 因不同生物敏感性不同，亚砷酸盐曾作抗生药物。 砷中毒的症状：湿疹、头晕、头疼、通风、恶心等。,NADH，乙酰CoA，CO2是整个反应中的最终产物。

20、 整个丙酮酸脱氢酶反应的主要特征是丙酮酸氧化释放的自由能以高能量的乙酰CoA的硫酯键形式储存起来，这能量引发激活乙酸分子进入柠檬酸循环，丙酮酸的氧化脱羧作用是有氧代谢进入三羧酸循环的开端。 从葡萄糖到乙酰CoA的总反应： G+4NAD+2ADP+2Pi+2CoA-SH 2乙酰CoA+2CO2+4NADH+4H+2ATP+2H2O,丙酮酸脱氢酶系,乙酰CoA、ATP NADH+H+,AMP、ADP NAD+,丙酮酸脱氢酶磷酸化，丙酮酸脱氢酶系失活，丙酮酸脱氢酶去磷酸化，丙酮酸脱氢酶系活化。,TCA第一阶段：柠檬酸生成,草酰乙酸,柠檬酸合酶,顺乌头酸酶,TCA第二阶段：氧化脱羧, 酮戊二酸脱氢酶系

21、类似于丙酮酸脱氢酶。包括三个酶即 酮戊二酸脱氢酶（E1） ，二氢硫辛酰转琥珀酰酶（E2） ，二氢硫辛酸脱氢酶（E3） 和六种辅助因子：TPP，硫辛酸，NAD+，FAD，HSCoA和Mg2+。,GTP + ADP,GDP + ATP,核苷二磷酸激酶,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,柠檬酸合酶,+,*,H2O,HSCoA,顺乌头酸酶,异柠檬酸脱氢酶,NAD+,NADH+H+CO2,*,-酮戊二酸脱氢酶系,NADH+H+ +CO2,*,NAD+ +HSCoA,琥珀酰CoA合成酶,GTP,GDP+Pi,FAD,FADH2,琥珀酸脱氢酶,H2O,NAD+,

22、NADH+H+,延胡索酸酶,苹果酸脱氢酶,柠檬酸循环总结,乙酰CoA通过缩合到草酰乙酸而进入循环。 循环中发生两步脱羧反应，因此一个二碳的乙酸单位进入循环后，又以CO2形式脱去两个C,从而达到平衡。 循环中发生4步氧化作用，3步以NAD+作为电子受体，一步是FAD作为电子受体。 ATP在一处形成（通过形成GTP的方式）。 循环通过草酰乙酸再生而完成。,柠檬酸循环总反应,乙酰CoA+2H2O+3NAD+FAD+ADP+Pi 2CO2+3NADH+3H+FADH2+CoA-SH+ATP 在柠檬酸循环中虽然没有氧分子直接参加反应，但是柠檬酸循环只能在有氧条件下进行。因为柠檬酸循环所产生的3个NADH

23、和一个FADH2只能通过电子传递链和氧分子才能够再被氧化。,柠檬酸循环产能,柠檬酸循环每循环一次产生3个NADH分子，每个NADH分子通过氧化磷酸化途径生成2.5个ATP分子，而一分子FADH2则生成1.5个ATP分子，当琥珀酰CoA转变为琥珀酸时，直接合成一个GTP(ATP).因此，一个乙酰CoA通过柠檬酸循环氧化产生10个ATP分子。,柠檬酸循环的调控,柠檬酸循环的调节由底物效应、产物累积的抑制作用以及在循环中形成的中间产物的别构、反馈抑制作用所控制。 柠檬酸合酶受柠檬酸抑制，也受ATP抑制。 异柠檬酸脱氢酶受NADH和ATP的抑制，受ADP活化。 酮戊二酸脱氢酶受NADH和琥珀酰CoA的

24、抑制。 总之，当细胞能量处于低水平（高的ADP浓度、低的ATP和NADH水平）时，柠檬酸循环加速进行，而当ATP、NADH、琥珀酰CoA以及柠檬酸积累时，循环就减缓进行。,TCA的代谢受柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶等3种酶活性的调控。,异柠檬酸脱氢酶,AMP、ADP,ATP,调节柠檬酸循环的关键酶主要是异柠檬酸脱氢酶。AMP、ADP是其变构激活剂，ATP是其变构抑制剂。,草酰乙酸,柠檬酸,异柠檬酸,a-酮戊二酸,琥珀酰辅酶A,琥珀酸,延胡索酸,苹果酸,乙酰辅酶A,三羧酸循环的过程,柠檬酸循环的生物学意义,柠檬酸循环在需氧能量代谢中起中心作用。 柠檬酸循环是主要的分解代谢的方式也

25、为许多合成代谢途径提供前体。这就是柠檬酸循环的双重作用。 是糖、脂、蛋白质三大物质分解供能的共同通路。 是糖、脂、蛋白质三大物质互变的共同途径。,糖的有氧氧化,葡萄糖在有氧条件下彻底氧化分解生成CO2和H2O，并释放出大量能量的过程称为糖的有氧氧化。,绝大多数组织细胞通过糖的有氧氧化途径获得能量。此代谢过程在细胞胞液和线粒体内进行。 一分子葡萄糖彻底氧化分解可产生30/32分子ATP。,一、有氧氧化的反应过程,糖的有氧氧化代谢途径可分为：葡萄糖酵解、丙酮酸氧化脱羧和三羧酸循环三个阶段 。,（一）葡萄糖经酵解途径生成丙酮酸：,此阶段在细胞胞液中进行，一分子葡萄糖分解后净生成2分子丙酮酸，2分子ATP，和2分子（NADH +H+）。 两分子（NADH +H+）在有氧条件下可进入线粒体产能，共可得到21.5或者22.5分子ATP。故第一阶段可净生成5或7分子ATP。,线粒体外NADH的穿梭,胞液中的3-磷酸甘油醛或乳酸脱氢，均可产生NADH。这些NADH可经穿梭系统而进入线粒体氧化磷酸化，产生H2O和ATP。,NADH + H+,NAD+,二羟磷酸丙酮,甘油-3-磷酸,线粒体内