第七章糖类代谢案例

一、单糖
• 单糖含有一个羰基和多个羟基。它是构成寡糖和多糖的 基本单位，自身不能水解成更简单的糖类物质。
• 根据羰基在碳链上的位置可分 为：醛糖和酮糖 。 最简单的醛糖是甘油醛 最简单的酮糖是二羟丙酮 • 含有不同碳原子数的单糖都有 其醛糖和酮糖形式。
单糖的链状结构
• 以多羟基醛或多羟基酮通式来表示单糖的链状结构 。 • 除了二羟丙酮以外的其他单糖都具有一个或多个不对称 （手性）碳原子。 • 醛糖与酮糖的构型是由分子中离羰基最远的不对称碳原 子上的羟基方向来决定的。该羟基在Fischer投影式右 侧的称为D-型，在左侧的称为L-型。
第七章 糖类化合物代谢
• 糖类化合物 • 糖的合成与分解 • 糖酵解 • 三羧酸循环 • 乙醛酸循环 • 磷酸戊糖途径
第一节 糖类化合物
糖是指多羟基醛或多羟基酮及其衍生物或多聚物。
葡萄糖
果糖
通式：Cx(H2O)y
Name
三碳糖(Triose)
Formula
C 3 H 6 O3
四碳糖(Tetrose)
分解代谢主要分三个阶段进行
糖原 甘油三酯 蛋白质
葡萄糖
脂肪酸+甘油
氨基酸
乙酰CoA
TCA
CO2
ADP+Pi
ATP
2H
呼吸链
H2O
第二节 糖的合成与分解
• 糖的活化
• 蔗糖的合成与降解 • 淀粉的生物合成与降解
• 纤维素的生物成与降解
一、糖的活化
• 寡糖和多糖的合成是以单糖作为原料的，而单糖要转变成 寡糖和多糖必须首先被活化。 • 常见活化形式：腺苷二磷酸葡萄糖（ADPG）、尿苷二磷 酸葡萄糖（UDPG）、尿苷二磷酸半乳糖（UDPGa）、 胞苷二磷酸葡萄糖（CDPG）、鸟苷二磷酸葡萄糖 （GDPG）、 胸苷二磷酸葡萄糖（TDPG）。
糖酵解途径（2）
糖酵解途径（3）
• 磷酸果糖激酶是一个变构酶，催化效率很低，糖酵解的 速率严格地依赖该酶的活力水平。 • 磷酸果糖激酶为糖酵解途径中最重要的调节酶，此反应 是糖酵解途径的第二个限速步骤。
糖酵解途径（4）
糖酵解途径（5）
糖酵解途径
至此，1分子 葡萄糖生成2 分子3-磷酸甘 油醛，通过两 次磷酸化作用 消耗2分子 ATP。
CHO H C OH CH2OH D-甘油醛
CH2OH C O CH2OH 二Βιβλιοθήκη Baidu基丙酮
CHO H C OH CHOPO323-磷酸甘油醛
CH2OH C O CH2OPO32磷酸二羟丙酮
丙糖及其磷酸酯
丁糖与戊糖
主要的己糖
葡萄糖是动物机体最重要的单糖 在生物体中的主要形式是D-吡喃-葡萄糖
单糖的环状结构 — Haworth透视式
• 活化过程：
G-1-P + ATP G-1-P + UTP
ADPG焦磷酸化酶 UDPG焦磷酸化酶
ADPG + ppi UDPG + ppi
二、蔗糖的合成与降解
• 蔗糖是植物体内普遍存在的双糖； • 高等植物光合作用的产物主要以蔗糖的形式运输； • 部分植物也以蔗糖作为主要贮存的营养物质。
1. 蔗糖的生物合成
• β-淀粉酶：又称β-1,4-麦芽糖苷酶，具有外切酶性质。不 能水解β -1,6-糖苷键。 • R酶：又称脱支酶，水解 -1,6-糖苷键。 • -葡萄糖苷酶、 -糊精酶分别把麦芽糖、糊精彻底分 解。
2. 淀粉的磷酸解
四、纤维素的合成与降解（自学）
• 纤维素是地球上最丰富的有机物质。纤维素是 植物细胞壁的重要结构成分，是由β-1,4糖苷 键连接起来的大分子。纤维素的分子不分支。 • 合成：纤维素合成酶 — 需要引物 • 分解：纤维素酶
二、糖酵解的生物化学过程
糖酵解的全过程在细胞质（cytoplasm）中进 行，共10步，可分为两大阶段： • 酵解准备阶段（第1-5步）； • 产能阶段（第6-10步）。
糖酵解途径（1）
将ATP上的磷酸基团转移到受体上的酶称为激酶（kinase）。 己糖激酶（肝外组织）与葡萄糖激酶（肝脏）为同工酶，对葡萄糖的 Km值分别为0.1mmol/L、5～10mmol/L；葡萄糖激酶是一种诱导酶， 葡萄糖浓度较高时才起作用。 己糖激酶是糖酵解过程中第一个调节酶，受产物的别构抑制。 该反应为糖酵解途径的第一个限速步骤。
•
三、多糖
多糖属于非还原性糖。 按生物来源：植物多糖、动物多糖和微生物多糖； 按生物功能：贮存多糖和结构多糖； 按组成的不同：同多糖和杂多糖。
（一） 同多糖
• 1. 淀粉（分为直链 淀粉和支链淀粉）
• 直链淀粉以（14） 糖苷键聚合而成。呈螺 旋结构，遇碘显紫蓝色。
• 支链淀粉中除了 （1→4）糖苷键构成糖链以外，在支点 处存在 （1→6）糖苷键，分子量较高。遇碘显紫红色。
• 在Fischer投影式中形成过长的氧桥是不合理的。1926年 Haworth提出透视式表达糖的环状结构。 • 如果氧环上的碳原子按顺时针方向排列，羟甲基在平面之 上的为D-型，在平面之下的为L-型。在D-型糖中，半缩醛 羟基在平面之下的为α型，在平面之上的为β型。
从链状式到Haworth式的转换
（1）蔗糖磷酸化酶途径 — 微生物
（2）蔗糖合成酶途径 — 高等植物
（3）磷酸蔗糖合成酶途径 — 高等植物
2. 蔗糖的分解
三、淀粉的生物合成与分解
（一）淀粉的生物合成
1. 直链淀粉的生物合成
（1） （2）
引子：α1，4-葡 聚寡糖。 n≥3。最 小为麦芽 三糖。
（3）
D酶 — 将短片段糖链转移到另一个具有α-1，4-糖苷 键的糖链上形成直链淀粉的酶。
CH2OH HOCH2 O H H H O H 2 1 H HO OH H CH2OH O OH H OH H OH
α -D-葡萄糖
β -D-果糖
CH2OH O H H H 1 OH H OH H OH
CH2OH O H H 4 OH H O H OH
H OH
蔗糖分子结构（葡萄糖α,β-1,2-果糖苷）
五碳糖(Pentose) 六碳糖(Hexose) 七碳糖(Heptose) 八碳糖(Octose)
C4H8O4
C5H10O5 C6H12O6 C7H14O7 C8H16O8
例外：甲醛（CH2O） ，乙酸（C2H4O2），乳酸（C3H6O3）； 脱氧核糖（C5H10O4），鼠李糖（C6H12O5）等。
CH2OH O O PO32H H OH H H OH H OH
H2C O PO32O OH H H OH H H OH H OH
CH2 O PO32CH2OH O H HO H OH H OH
CH2 O PO32H H OH H2C O PO32O HO H OH
1-磷酸葡萄糖
6-磷酸葡萄糖
6-磷酸果糖
1,6-二磷酸果糖
葡萄糖和果糖的磷酸酯
二、寡糖
• 根据糖水解后的残基数量，寡糖又可分为二糖、三糖、 四糖… • 二糖(Disaccharides)：包含两个通过糖苷键连接的单糖。 • 蔗糖（sucrose）、乳糖（lactose） 和麦芽糖 （maltose）是自然界最为丰富的二糖。 • 麦芽糖是淀粉的水解产物，由两个α-D-葡萄糖通过α-1,4 糖苷键连接而成。
新 陈 代 谢
• 分解代谢（catabolism）是大分子（多糖、蛋白质、 脂类等）不断氧化降解为小分子（如CO2、NH3、 H2O），同时伴随着能量的释放； • 合成代谢（anabolism）是由小分子（如氨基酸等） 生成大分子（如蛋白质）的过程。
• 合成代谢一般不是分解代谢简单的逆向反应，而是由不同 酶催化的，通常需要消耗ATP，还原供氢体多为NADPH。
四、复合糖 / 结合糖
• 复合糖（glycoconjugate）是糖类与蛋白质或脂类等生
物大分子以共价键连接而成的糖复合物。 • 糖脂 (glycolipid)：是糖与脂类的结合物。
• 糖蛋白 (glycoprotein)：是糖与蛋白质的结合物。
代谢的概念
• 新陈代谢简称代谢，是活细胞中进行的所有化学反应的 总称。 • 细胞内的化学反应不是相互独立的，而是相互联系的， 一个反应的产物可能就是下一个反应的底物，这样构成 一连串的反应，称之为代谢途径。 • 在酶催化的连续反应中产生的各种酶促产物，除最终产 物不计在内，统称为中间产物或中间物或中间体。 • 反应物、中间产物和产物统称为代谢物。 • 代谢途径的各个中间环节统称为中间代谢。
Amylopectin
纤维素的分子结构
β-1,4-糖苷键
糖原（Glycogen）：主要存在于肝脏和骨骼肌。 糖原由多个α-D-葡萄糖通过α-1,4糖苷键连接而成， 结构有分支，分支点由α-1,6糖苷键链接。
α-1,6-糖苷键 α-1,4-糖苷键
（二）杂多糖
由多种单糖或单糖衍生物所组成的多糖，常见的有： • 果胶 (Pectin) • 半纤维素 (Hemicellulose) • 琼脂 (Agar) 和琼脂糖 (Agarose) • 糖胺聚糖（或称黏多糖）(Glycosaminoglycan)
糖的分类
根据其水解产物的情况，糖主要可分为： • 单糖 (monosacchride)：仅包含一个多羟基醛或多羟基 酮单位；是构成寡糖和多糖的基本单位。 • 寡糖 (oligosacchride)：由2-20多个单糖通过糖苷键连接 而成的糖类物质； • 多糖 (polysacchride)：由多个单糖（20个以上）单位通 过糖苷键连接而构成的糖类物质； • 结合糖 (glycoconjugate)：糖和非糖物质共价结合而成 的复合物。
麦芽糖分子结构（葡萄糖α-1,4-葡萄糖苷）
CH2OH O H H OH H OH
CH2OH O OH H 1 H OH H H H OH
H O
4
H OH
β-半乳糖
α-葡萄糖
乳糖分子结构（葡萄糖β,α-1,4-半乳糖苷）
乳糖和麦芽糖有半缩醛羟基，因此具有还原性。 • 蔗糖没有游离的半缩醛羟基，是非还原糖。
第三节 糖酵解
• 糖酵解（glycolysis）是在无氧条件下，葡萄糖转变为丙酮 酸（pyruvate）并形成ATP的一系列反应。 • 由于Embden，Meyerholf和Parnas等人在研究糖酵解作 用方面作了较大的贡献，因而糖酵解过程有时也称为EMP途 径。 • 是动物、植物、微生物细胞中葡萄糖分解产生能量的共同 代谢途径。
2. 支链淀粉的生物合成
在Q酶的催化下，将直链淀粉的非还原端上6～8个葡萄 糖基切下，转移至直链淀粉上，与葡萄糖残基上的C6上 的羟基连接形成α-1,6-糖苷键，从而形成支链淀粉。
（二）淀粉的分解
• 1. 淀粉的水解：
• -淀粉酶：又称 -1,4-葡聚糖水解酶，为含Ca2+的金属 酶，具有内切酶性质，以无规则的方式水解 -1,4糖苷键。
糖的生物学功能
• 1. 能源：淀粉和糖原是重要的能源物质； • 2. 结构物质：植物细胞壁中的纤维素、细菌细胞 壁的肽聚糖； • 3. 在生物体内转变为其他物质： • 4. 识别信号分子：参与分子和细胞识别、细胞粘 附、糖复合物的定位和代谢等。
常用单词、前缀和后缀
• 单词 – sugar， carbohydrate，saccharide… • 前缀 – Glycobiology， Glycoconjugate， Glycoprotein， Glycolipid… • 后缀 – -ose， -saccharide or -glycan • Glucose（葡萄糖），Fructose（果糖）， Galactose（半乳糖）， Sucrose（蔗糖）…
糖酵解途径（6）
3-磷酸甘油醛脱氢酶是一种巯基酶，重金属离子和烷化 剂（如碘乙酸）能抑制该酶的活性。
糖酵解途径（7）
糖酵解途径过程中第一次产生ATP的反应，属于底物水平的磷酸 化反应。 底物氧化过程中产生的能量直接将ADP磷酸化生成ATP的过程， 称为底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation）。
一、糖酵解的研究历史
• 1875 年法国科学家巴斯德 (L. Pasteur) 就发现葡萄糖 在无氧条件下被酵母菌分解生成乙醇的现象。 • 1897 年德国的巴克纳兄弟 (Hans Buchner 和 Edward Buchner) 发现发酵作用可以在不含细胞的酵母抽提液 中进行。 • 1905年哈登(Arthur Harden)和扬(William Young)实 验中证明了无机磷酸的作用。 • 1940年前德国的生物化学家恩伯顿(Gustar Embden) 和迈耶霍夫 (Otto Meyerhof) 等人的努力完全阐明了糖 酵解的整个途径。