生物化學第五章

第五章糖及糖的分解代謝前言：新陳代謝的概念

新陳代謝是所有生物維持其生命活動的最基本的特性，是生物體內有機物合成和分解作用，包括物質轉變和能量轉化。

合成代謝物質上---小分子---大分子（同化作用）能量上---積能過程生物體新陳代謝

分解代謝物質上---大分子---小分子（異化作用）能量上---放能過程

前言：新陳代謝的概念新陳代謝就是在合成和分解過程中不斷就得平衡。若合成大于分解，生命體旺盛；反之，則衰老。前言：新陳代謝的概念

新陳代謝就是與糖類的分解有密切的聯(lián)系，因為糖類的分解對生物體來講，具重要的意義。1.糖類作為能源物質生物細胞的各種代謝活動，包括物質分解和合成都需要有足夠的能量，其中ATP是糖類降解時通過氧化磷酸化作用而形成的最重要的能量載體物質。生物細胞只能利用高能化合物（主要是ATP）水解時釋放的化學能來做功，以滿足生長發(fā)育等所需要的能量消耗。

前言：新陳代謝的概念2.作為合成生物體內重要代謝物質的碳架和前體葡萄糖、果糖等在降解過程中除了能提供大量能量外，其分解過程中還能形成許多中間產物或前體，生物細胞通過這些前體產物再去合成一系列其它重要的物質，包括：(1)乙酰輔酶A、氨基酸、核苷酸等，它們分別是合成脂肪、蛋白質和核酸等大分子物質的前體。(2)生物體內許多重要的次生代謝物、抗性物質，如生物堿、黃酮類等物質，它們對提高植物的抗逆性起著重要的作用。前言：新陳代謝的概念3.細胞中結構物質

細胞中的結構物質如植物細胞壁等是由纖維素、半纖維素、果膠質等物質組成；甲殼質或幾丁質為N-乙酰葡萄糖胺的同聚物，是組成蝦、蟹、昆蟲等外骨骼的結構物質。這些物質都是由糖類轉化物聚合而成。前言：新陳代謝的概念4.參與分子和細胞特異性識別

由寡糖或多糖組成的糖鏈常存在于細胞表面，形成糖脂和糖蛋白，參與分子或細胞間的特異性識別和結合，如抗體和抗原、激素和受體、病原體和宿主細胞、蛋白質和抑制劑等常通過糖鏈識別后再進行結合。第一節(jié)重要糖類結構和雙糖、多糖的降解

單糖（monosaccharide）是指最簡單的糖，即在溫和條件下不能再分解成更小的單體糖，如葡萄糖、果糖等。按碳原子的數目單糖又可分為三碳（丙）糖、四碳（?。┨?、五碳（戊）糖、六碳（已）糖、七碳（庚）糖等。一、一些重要單糖的結構三糖甘油醛

二羥丙酮四碳糖赤蘚糖

一、一些重要單糖的結構五碳糖核糖核酮糖木糖一、一些重要單糖的結構一、一些重要單糖的結構葡萄糖(glucose)——已醛糖果糖(fructose)——已酮糖D-7-磷酸-景天庚酮糖

一、一些重要單糖的結構麥芽糖二、一些重要雙糖的結構α-葡萄糖（1→4）葡萄糖苷蔗糖α-葡萄糖（1→2）β-果糖苷二、一些重要雙糖的結構乳

糖乳糖（半乳糖--1,4-葡萄糖）

二、一些重要雙糖的結構淀粉直鏈：

a-1,4-糖苷鍵分支點：

a-1,6-糖苷鍵三、一些重要多糖的結構淀粉直鏈：

a-1,4-糖苷鍵分支點：

a-1,6-糖苷鍵三、一些重要多糖的結構纖維素b-1,4-糖苷鍵三、一些重要多糖的結構

Chitin三、一些重要多糖的結構淀粉分解有兩條途徑：四、淀粉的降解

水解→產生葡萄糖磷酸解→產生磷酸葡萄糖1.淀粉的水解參與淀粉水解的酶主要有三種：淀粉酶、脫支酶、麥芽糖酶淀粉酶是指參與淀粉a-1,4-糖苷鍵水解的酶。有a-淀粉酶和b-淀粉酶兩種。(1)淀粉酶：四、淀粉的降解其產物為：若直鏈淀粉→葡萄糖+麥芽糖+麥芽三糖+低聚糖若支鏈淀粉→葡萄糖+麥芽糖+麥芽三糖+極限糊精a-淀粉酶：（a-1,4-葡聚糖水解酶）可水解任何部位的a-1,4-糖苷鍵，所以又稱為內切淀粉酶。該酶對非還原末端的5個葡萄糖基不發(fā)生作用。Ca2+需要。(1)淀粉酶：1.淀粉的水解四、淀粉的降解

也水解a-1,4-糖苷鍵，但須從非還原末端開始切，每次切下兩個葡萄糖基。又稱為外切淀粉酶。

β-淀粉酶：其產物為：若直鏈淀粉→麥芽糖若支鏈淀粉→麥芽糖+極限糊精(1)淀粉酶：1.淀粉的水解四、淀粉的降解(2)脫支酶(R-酶)：（a-1,6-葡萄糖苷酶）水解a-1,6-糖苷鍵，但只能作用于外圍的這種鍵，而不能水解內部的分支。植物體內的麥芽糖酶通常與淀粉酶同時存在，并配合使用，從而使淀粉徹底水解成葡萄糖。(3)麥芽糖酶：1.淀粉的水解四、淀粉的降解1.淀粉的水解Hydrolysisofglycogenandstarchby-amylaseand-amylase四、淀粉的降解2.淀粉的磷酸解其中，淀粉磷酸化酶又叫P-酶。

此反應為可逆反應，但在植物體內，由于（1）[Pi]很高（如施肥）（2）[G-1-P]低（因不斷被利用）所以，反應向正方向進行。四、淀粉的降解2.淀粉的磷酸解

淀粉磷酸化酶從淀粉的非還原端開始，一個一個地磷酸解a-1,4-糖苷鍵，直到距分支點4個葡萄糖基為止。

所以，如果是支鏈淀粉，還需要另外兩個酶的參與，即轉移酶和脫支酶。四、淀粉的降解2.淀粉的磷酸解四、淀粉的降解2.淀粉的磷酸解淀粉的磷酸解與水解相比，其優(yōu)越性有：1.耗能少2.產物不易擴散到胞外,而水解產物葡萄糖會因擴散而流失四、淀粉的降解五、糖原的降解糖原的磷酸解

糖原磷酸化酶（glycogenphosphorylase）是降解糖原的磷酸化的限速酶，有活性和非活性兩種形式，分別稱為糖原磷酸化酶a（活化態(tài)）和糖原磷酸化酶b（非活化態(tài)），兩者在一定條件下可以相互轉變。糖原磷酸解時，在磷酸化酶a作用下，從糖原非還原端開始逐個加磷酸切下葡萄糖生成1-磷酸葡萄糖，切至糖原分支點4個葡萄糖殘基處為止。五、糖原的降解糖原的磷酸解

轉移酶（transferase）又稱1,41,4葡聚糖轉移酶，它主要作用是將連接與分支點上4個葡萄糖基的葡聚三糖轉移至同一個分支點的另一個葡聚四糖鏈的末端，使分支點僅留下一個α（16）糖苷鍵連接的葡萄糖殘基。五、糖原的降解糖原的磷酸解

脫支酶，即水解α（16）糖苷鍵的酶，再將這個葡萄糖水解下來，使支鏈淀粉的分支結構變成直鏈結構，磷酸化酶再進一步將其降解為1-磷酸葡萄糖。由于磷酸化酶、轉移酶和脫支酶的協(xié)同作用，將糖原（或支鏈淀粉）徹底降解。糖原磷酸化酶主要存在于動物肝臟中，通過糖原分解直接補充血糖。

五、糖原的降解Thereactionsofglycogendebranchingenzyme2.形成糖核苷酸ThestructureofUDP-glucose,asugarnucleotide六、蔗糖的降解2.形成糖核苷酸NDP主要是ADP和UDP，其產物分別為ADPG(腺苷二磷酸葡萄糖)和UDPG(尿苷二磷酸葡萄糖)。UDPG和ADPG是葡萄糖的活化形式，在合成寡糖和多糖時作為葡萄糖基的供體。這比將蔗糖水解要經濟，因為從水解產物葡萄糖合成NDPG需要消耗能量。

蔗糖的這種降解方式在高等植物中普遍存在。例如，在正在發(fā)育的谷類作物的籽粒能夠將輸入的蔗糖分解為ADPG，然后用以合成淀粉。六、蔗糖的降解第二節(jié)糖酵解glycolysisLouisPasteurinhislaboratory一.糖酵解的概念指葡萄糖通過一系列步驟，降解成三碳化合物（丙酮酸）的過程。糖酵解途徑又稱EMP途徑(Embden-MeyerhofParnaspathway)

定義二.糖酵解的過程第一步：葡萄糖的磷酸化第一階段激酶：催化將ATP上的磷酸基團轉移到受體上的酶。激酶都需要Mg2+作為輔助因子。二.糖酵解的過程二.糖酵解的過程第二步：6-磷酸果糖的生成第一階段二.糖酵解的過程第三步：1,6-二磷酸果糖的生成第一階段

磷酸果糖激酶(PFK)是EMP途徑的關鍵酶，其活性大小控制著整個途徑的進程。二.糖酵解的過程PhosphofructokinasewithADPshowninwhiteandfructose-6-Pinred二.糖酵解的過程第一階段碳鏈不變，但兩頭接上了磷酸基團，為斷裂作好準備。消耗兩個ATP。二.糖酵解的過程第二階段第四步：1,6-二磷酸果糖的裂解

1個己糖分裂成2個丙糖——丙酮糖和丙醛糖，它們?yōu)橥之悩嬻w。二.糖酵解的過程第二階段第五步：磷酸丙糖的同分異構化1分子二磷酸已糖裂解成2分子3-磷酸甘油醛。二.糖酵解的過程第三階段第六步：3-磷酸甘油醛氧化糖酵解過程中第一次產生高能磷酸鍵，并且產生了還原劑NADH。催化此反應的酶是巰基酶，所以它可被碘乙酸(ICH2COOH)不可逆地抑制。故碘乙酸能抑制糖酵解。

二.糖酵解的過程第三階段第七步：3-磷酸甘油酸和ATP的生成糖酵解過程中第一次產生ATP。

二.糖酵解的過程第三階段醛氧化成羧酸NAD+還原成NADH糖酵解中第一次產生ATP二.糖酵解的過程第四階段第八步：3-磷酸甘油酸異構Mg2+二.糖酵解的過程第四階段Thephosphoglyceratemutaseofwheatgermcatalyzesanintramolecularphosphoryltransfer二.糖酵解的過程第四階段第九步：PEP的生成

這一步其實是分子內的氧化還原，使分子中的能量重新分布，使能量集中，第二次產生了高能磷酸鍵。Mg2+二.糖酵解的過程第四階段第十步：丙酮酸的生成糖酵解過程中第二次產生ATP。

Mg2+或K+葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖1.6-二磷酸果糖磷酸二羥丙酮3磷酸甘油醛1.3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乳酸三.糖酵解的能量計算（1）反應部位：胞液（2）關鍵酶：己糖激酶,6-磷酸果糖激酶-1,丙酮酸激酶（3）能量的凈生成：2ATP消耗ATP的步驟:GATP6-磷酸G6-磷酸果糖ATP1,6-二磷酸果糖生成ATP的步驟：1,3-二磷酸甘油酸ATP3-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸ATP丙酮酸要點：要點：（4）定位：細胞質（5）意義：產生少許能量，產生一些中簡產物如，丙酮酸和甘油等（6）底物水平的磷酸化

糖酵解的調節(jié)

6-磷酸果糖激酶-16-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖ADPATPAMP檸檬酸2，6-二磷酸果糖

+-+6-磷酸果糖2，6-二磷酸果糖6-磷酸果糖激酶-2果糖二磷酸酶-22，6-二磷酸果糖的合成與分解磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸激酶長鏈脂肪酸ATP丙酮酸1.6-二磷酸果糖+G己糖激酶6-磷酸葡萄糖四.糖酵解產物的去路1.丙酮酸的去路(1)在無氧或相對缺氧時——發(fā)酵有兩種發(fā)酵：酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵酒精發(fā)酵：由葡萄糖→乙醇的過程丙酮酸脫羧酶需要TPP作為輔酶。四.糖酵解產物的去路1.丙酮酸的去路(1)在無氧或相對缺氧時——酒精發(fā)酵四.糖酵解產物的去路1.丙酮酸的去路(2)在無氧或相對缺氧時——乳酸發(fā)酵乳酸發(fā)酵：由葡萄糖→乳酸的過程乳酸脫氫酶在動物體內有5種同工酶：H4、H3M、H2M2、HM3、M4

四.糖酵解產物的去路1.丙酮酸的去路(2)在無氧或相對缺氧時——乳酸發(fā)酵

許多微生物常進行這種過程。此外，高等動物在氧不充足時，也可進行這條途徑，如肌肉強烈運動時即產生大量乳酸。四.糖酵解產物的去路1.丙酮酸的去路(3)在有氧條件下——丙酮酸有氧氧化

丙酮酸被徹底氧化成CO2。

這一過程在線粒體中進行。通過此過程可以使葡萄糖徹底降解、氧化成CO2。四.糖酵解產物的去路2.NADH的去路(1)在無氧或相對缺氧時酒精發(fā)酵中：作為乙醛→乙醇的供氫體乳酸發(fā)酵中：作為丙酮酸→乳酸的供氫體∴1分子葡萄糖通過無氧酵解，只能生成2個ATP四.糖酵解產物的去路2.NADH的去路(2)在有氧條件下原核生物中：1分子的NADH通過呼吸鏈可產生3個ATP，真核生物中：在植物細胞或動物的肌細胞中，1分子的NADH通過呼吸鏈可產生2個ATP。∴1分子葡萄糖通過有氧酵解，可生成2+2×2=6個ATP∴1分子葡萄糖通過有氧酵解，可生成2+3×2=8個ATP五.糖酵解的生物學意義1.

為生物體提供一定的能量

；2.

糖酵解的中間物為生物合成提供原料；如丙酮酸可轉變?yōu)榘被?，磷酸二羥丙酮可合成甘油。3.為糖異生作用提供了基本途徑。六.糖酵解的調控在代謝途徑中，發(fā)生不可逆反應的地方常常是整個途徑的調控部位，而催化這些反應的酶常常要受到調控，從而影響這些地方的反應速度，進而影響整個途徑的進程。這些酶稱該途徑的關鍵酶。在糖酵解中，有三種酶催化的不可逆反應——己糖激酶、PFK(磷酸果糖激酶)、丙酮酸激酶。所以它們是關鍵酶。這三種酶都是變構酶。第三節(jié)丙酮酸氧化脫羧與三羧酸循環(huán)Chapter3

Thepyruvate

oxidizationandcitricacidcycle在有氧條件下，丙酮酸氧化脫羧形成乙酰CoA，后者可進入三羧酸循環(huán)徹底氧化。一、丙酮酸氧化脫羧丙酮酸的氧化脫羧的部位：線粒體一、丙酮酸氧化脫羧E1——丙酮酸脫氫酶(pyruvatedehydrogenasePDH)。催化丙酮酸的脫羧及脫氫，形成二碳單位乙?；?。具有輔基TPP。E2——二氫硫辛酸轉乙?；?dihydrolipoyltransacetylaseTA)。催化二碳單位乙?；霓D移。具有輔基硫辛酸。E3——二氫硫辛酸脫氫酶(dihydrolipoyldehydrogenaseDLD)。催化還原型硫辛酸→氧化型。具有輔基FAD。催化此過程的是丙酮酸脫氫酶復合體，它由3種酶有機地組合在一起：一、丙酮酸氧化脫羧整個過程涉及到的6個輔因子：TPP(焦磷酸硫胺素)、SSL(硫辛酸)、FAD、NAD+、CoA、Mg2+等。丙酮酸脫氫酶復合體呈圓球形，每個復合體含有：6個PDH丙酮酸脫氫酶、24個TA氫硫辛酸轉乙?；浮?個DLD二氫硫辛酸脫氫酶其中TA為復合物的核心，它的一條硫辛酸臂可以旋轉。一、丙酮酸氧化脫羧一、丙酮酸氧化脫羧

三羧酸循環(huán)(tricarboxylicacidcycle)，又叫做TCA循環(huán)，是由于該循環(huán)的第一個產物是檸檬酸，它含有三個羧基，故此得名。

該循環(huán)的提出的主要貢獻者是英國生化學家Krebs，所以又稱Krebs循環(huán)。該循環(huán)還叫做檸檬酸循環(huán)。

1.化學反應過程二、TCA循環(huán)Step1.乙酰CoA與草酰乙酸縮合成檸檬酸1.化學反應過程二、TCA循環(huán)AnaldolcondensationThemethylcarbonofacety-CoAjoinsthecarbonylcarbonofoxaloacetate;citroyl-CoAisatransientintermediate;hydrolysisofthethioesterbondreleasesalargeamountoffreeenergy.Step1.乙酰CoA與草酰乙酸縮合成檸檬酸這步反應由C4→C6。1.化學反應過程Citratesynthase.CitrateisshowningreenandCoApink二、TCA循環(huán)Step1.

乙酰CoA與草酰乙酸縮合成檸檬酸

反應的能量由乙酰CoA的高能硫酯鍵提供，所以使反應不可逆。此為醇醛縮合反應，先縮合成檸檬酰CoA，然后水解。這步反應由C4→C6。1.化學反應過程二、TCA循環(huán)Step2.檸檬酸異構化成異檸檬酸1.化學反應過程Iron-sulfur(red),cysteines(yellow)andisocitrate(white)二、TCA循環(huán)Step3.

異檸檬酸氧化脫羧1.化學反應過程二、TCA循環(huán)

這階段放出了1分子CO2，由C6→C5；產生1分子NADHStep3.

異檸檬酸氧化脫羧1.化學反應過程NADP+(gold);Ca2+(red))二、TCA循環(huán)

a-酮戊二酸脫氫酶復合體與丙酮酸脫氫酶復合體非常相似，也包含三種酶、五六種輔因子。Step4.

a-酮戊二酸氧化脫羧1.化學反應過程二、TCA循環(huán)Step4.

a-酮戊二酸氧化脫羧1.化學反應過程這階段又放出了1分子CO2，由C5→C4；又產生1分子NADH；形成1個高能硫酯鍵。

二、TCA循環(huán)這階段合成了1分子高能磷酸化合物GTPStep5.

由琥珀酰CoA生成高能磷酸鍵1.化學反應過程Malonate(丙二酸)isastrongcompetitiveinhibitor二、TCA循環(huán)Step6.

琥珀酸氧化成延胡索酸這一階段的反應為C4的變化；產生1分子FADH2、1分子NADH。1.化學反應過程二、TCA循環(huán)這階段需要經歷三步反應——脫氫、加水、脫氫Step7.延胡索酸至蘋果酸這一階段的反應為C4的變化；產生1分子FADH2、1分子NADH。1.化學反應過程二、TCA循環(huán)Step8.

蘋果酸至草酰乙酸（再生）1.化學反應過程Oxaloacetateisregenerated!二、TCA循環(huán)Theactivesiteofmalatedehydrogenase.Malateisshowninred;NAD+blue.1.化學反應過程Step8.

蘋果酸至草酰乙酸（再生）二、TCA循環(huán)2.TCA循環(huán)的總反應二、TCA循環(huán)每經歷一次TCA循環(huán)有2個碳原子通過乙酰CoA進入循環(huán)，以后有2個碳原子通過脫羧反應離開循環(huán)。有4對氫原子通過脫氫反應離開循環(huán)，其中3對由NADH攜帶，1對由FADH2攜帶。產生1分子高能磷酸化合物GTP，通過它可生成1分子ATP。

消耗2分子水，分別用于合成檸檬酸（水解檸檬酰CoA）和延胡索酸的加水。2.TCA循環(huán)的總反應二、TCA循環(huán)

由TCA循環(huán)產生的NADH和FADH2必須經呼吸鏈將電子交給O2，才能回復成氧化態(tài)，再去接受TCA循環(huán)脫下的氫。產物NADH和FADH2的去路:

所以，TCA循環(huán)需要在有氧的條件下進行。否則NADH和FADH2攜帶的H無法交給氧，即呼吸鏈氧化磷酸化無法進行，NAD+及FAD不能被再生，使TCA循環(huán)中的脫氫反應因缺乏氫的受體而無法進行。2.TCA循環(huán)的總反應二、TCA循環(huán)

乙酰CoA通過TCA循環(huán)脫下的氫由NADH及FADH2經呼吸鏈傳遞給O2，由此而形成大量ATP碳源乙酰CoA→

2CO2能量1GTP→1ATP共12ATP3NADH→3ATP×3=9ATP1FADH2→2ATP×1=2ATP

由乙酰CoA氧化產生的ATP中，只有1/12來自底物水平的磷酸化，其余都是由氧化磷酸化間接產生3.能量的化學計量二、TCA循環(huán)碳源丙酮酸→乙酰CoA+CO2→

3CO2能量丙酮酸氧化脫羧：1NADH→3ATP共15ATPTCA循環(huán)：12ATP3.能量的化學計量二、TCA循環(huán)碳源葡萄糖→2丙酮酸→

6CO2能量葡萄糖有氧酵解：2ATP+2NADH→8ATP共38ATP丙酮酸有氧氧化：15×2=30ATP葡萄糖徹底氧化經由的途徑：EMP途徑、丙酮酸氧化脫羧、TCA循環(huán)、呼吸鏈氧化磷酸化。對于原核生物：3.能量的化學計量二、TCA循環(huán)對于原核生物：

由于在EMP途徑中生成的NADH在線粒體外，其磷氧比為2，所以1分子葡萄糖徹底氧化只能合成36

ATP。對于真核生物（高等植物、真菌、動物的肌細胞）:3.能量的化學計量二、TCA循環(huán)1.定位：線粒體

A檸檬酸合酶:該酶有負變構劑ATP，它使酶與底物的親和力下降，從而Km值增大。B異檸檬脫氫酶:該酶有正變構劑ADP，它使酶與底物的親和力增加。此外，NAD+、底物異檸檬酸使酶活升高；NADH、ATP使酶活下降。C-酮二酸脫氫酶:ATP、NADH及產物琥珀酰CoA抑制酶的活性。2.不可逆反應與調節(jié)：4.注意點二、TCA循環(huán)1.為生物體提供能量，是體內主要產生ATP的途徑

；2.循環(huán)中的中間物為生物合成提供原料；如草酰乙酸、a-酮戊二酸可轉變?yōu)榘被幔牾oA可用于合成葉綠素及血紅素分子中的卟啉。3.糖類、蛋白質、脂類、核酸等代謝的樞紐。5.TCA循環(huán)的生物學意義二、TCA循環(huán)三、TCA的回補反應

三羧酸循環(huán)的一個重要作用是它的中間物可以為生物合成提供原料，但這些中間物必須得到補充，以保證TCA循環(huán)運轉。尤其是起始物草酰乙酸，缺乏它乙酰CoA就不能進入循環(huán)。

生物體中存在著及時補充草酰乙酸的反應，稱為回補反應。1.回補反應含義：1.丙酮酸羧化2.回補反應的途徑：丙酮酸羧化酶需要生物素作為其輔酶。這是動物中最重要的回補反應，在線粒體中進行。三、TCA的回補反應2.

PEP羧化酶（細胞質）2.回補反應的途徑：三、TCA的回補反應3.蘋果酸酶（細胞質）2.回補反應的途徑：三、TCA的回補反應4.

PEP羧激酶（液泡）2.回補反應的途徑：三、TCA的回補反應Thephosphoenolpyruvatecarboxykinasereaction第四節(jié)磷酸戊糖途徑葡萄糖的降解除了EMP-TCA途徑外，是否還存在著另外的途徑？HMP途徑一、概念磷酸戊糖途徑。有，什么途徑？磷酸戊糖途徑(pentosephosphatepathwayorphosphogluconatepqthway)，又叫做PPP，是由于該途徑中有許多中間物是磷酸戊糖。該途徑又叫做磷酸葡萄糖酸途徑(hexosemonophosphateshuntpathwayHMP)，因為磷酸葡萄糖酸是該途徑的早期特征中間物。

該途徑又稱磷酸己糖支路，是由于從磷酸己糖開始該途徑與EMP途徑分支。HMP途徑一、概念1）糖的脫氫、脫羧：6-磷酸葡萄糖→5-磷酸核酮糖2）糖的相互轉化：6個5-磷酸核酮糖→5個6-磷酸葡萄糖HMP途徑二、化學歷程分為兩個階段：第一步：脫氫Dehydrogenation葡萄糖氧化脫羧HMP途徑二、化學歷程6-磷酸葡萄糖內酯6-P-葡萄糖第二步：hydrolysis葡萄糖氧化脫羧HMP途徑二、化學歷程G-6-P→6-磷酸葡萄糖酸的過程不可逆.6-磷酸葡萄糖內酯6-P-葡萄糖酸第三步：oxidativedecarboxylation

葡萄糖氧化脫羧

此反應也不可逆HMP途徑二、化學歷程5-P-核酮糖6-P-葡萄糖酸第四步：異構化Isomerism分子重組階段HMP途徑二、化學歷程PhosphopentoseIsomerase分子重組階段HMP途徑二、化學歷程第四步：異構化IsomerismPhosphopentoseIsomerase5-P-核酮糖5-P-核糖分子重組階段HMP途徑二、化學歷程第五步：表異構化EpimerizationketosexylulosePhosphopentoseEpimerase分子重組階段HMP途徑二、化學歷程第五步：表異構化EpimerizationPhosphopentoseEpimerase5-P-核糖5-P-木酮糖分子重組階段HMP途徑二、化學歷程第六步：轉酮醇反應Transketolase5-P-木酮糖5-P-核糖3-P-甘油醛7-P-景天庚酮糖分子重組階段HMP途徑二、化學歷程第七步：轉酮醇反應Transketolase7-P-景天庚酮糖3-P-甘油醛4-P-赤蘚糖6-P-果糖分子重組階段HMP途徑二、化學歷程第八步：轉酮醇反應Transketolase5-P-木酮糖4-P-赤蘚糖6-P-果糖3-P-甘油醛分子重組階段HMP途徑二、化學歷程第九步：異構化反應Isomerism6-磷酸果糖6-磷酸葡萄糖磷酸已糖異構酶phosphoglucoisomeraseHMP途徑三、化學計量氧化階段66-磷酸葡萄糖+12NADP++6H2O65-磷酸核酮糖+6CO2+12NADPH+12H+非氧化重排階段65-磷酸核酮糖+H2O56-磷酸葡萄糖總反應式6-磷酸葡萄糖+12NADP++7H2O6CO2+12NADPH+12H++H3PO41.產生大量的NADPH，為細胞的各種合成反應提供還原力NADPH作為主要供氫體，為脂肪酸、固醇、四氫葉酸等的合成、氨的同化等反應所必需。

2.途徑中的中間物為許多化合物的合成提供原料可以產生各種磷酸單糖。如磷酸核糖是合成核苷酸的原料，4-磷酸赤蘚糖與PEP可合成莽草酸，經莽草酸途徑可合成芳香族氨基酸。HMP途徑四、HMP途徑的生物學意義HMP途徑在生物體中普遍存在，其中動物、微生物中占糖降解的30%，植物中占50%。HMP途徑3.HMP定位于細胞質，和EMP等途徑相通

四、HMP途徑的生物學意義4.HMP在植物脅迫(如干旱、病害、傷害等)時被高速啟動

五、磷酸戊糖途徑的調控

6－磷酸葡萄糖脫氫酶為限速酶活性受[NADP+]/[NADPH+H+]比率調節(jié)第五節(jié)糖類的合成代謝結論：植物生長和水有關土減少了0.1千克樹重82.5千克,增加了80千克1.實驗一光合作用光照下，一段時間后ＡＢＣＤ結論：植物可以更新空氣。普利斯特利實驗

生物按其利用碳源的類型可分為兩類：(1)自養(yǎng)生物（autotrophs），即能夠吸收和利用CO2或無機碳化物，合成自身所需的全部有機物的生物。例如綠色植物、藻類、硫細菌等。這類生物利用的供氫體也是無機的，如H2O、H2S等；

一光合作用

(2)異養(yǎng)生物（heterotrophs），這類生物至少需要提供一種有機物才能轉變?yōu)轶w內所需的其它有機物的生物。例如人、動物，是利用食物中的有機物參與體內代謝而生存的。

供生命活動所需的能源主要有兩種：化學能和光能。按獲得能源方式不同，生物又分為兩類：光養(yǎng)生物（phototrophs）和化養(yǎng)生物（chemotrophs）。綠色植物和光合細菌屬于光養(yǎng)生物，它們在陽光的照耀下，利用光能進行著體內的代謝而茁壯成長。人類和動物屬于化養(yǎng)生物，它們無法直接吸收光能來供機體的生命活動，只能利用有機物分解代謝產生的化學能。生物按利用營養(yǎng)所需的能源和碳源可分成四大類。

光合作用（photosynthesis）是指自然界中綠色植物或光合細菌捕獲光能并將其轉變?yōu)榛瘜W能；再將CO2和H2O等轉變?yōu)橛袡C化合物，釋放O2或S等物質的過程。1941年CornelisVanNiel比較了細菌和綠色植物的光合作用的特點，并用同位素18O的實驗證實了光合作用可以用一個通式表示：1光合作用概述式中，H2D代表各種還原劑，是氫和電子供體。當H2D為H2O時，2D為O2，這是綠色植物將CO2還原成糖類并產生O2的機制?？偡磻蓪懗桑?/p>

光合作用可分為兩個階段：第一階段是光反應（lightreaction），第二階段是暗反應（darkreaction）。光反應是指光合色素將光能轉變?yōu)榛瘜W能ATP和還原為NADPH的過程。暗反應即酶促反應，是指利用ATP和NADPH，將CO2還原成糖類等有機物的代謝過程。光合作用的兩個階段是偶聯(lián)的關系。

光能捕捉和CO2固定光合作用機構外膜內膜基質基粒葉綠體中的色素分布于

。與光合作用有關的酶分布于

。

基粒囊狀結構的薄膜上基粒上、基質中葉綠體結構葉綠體中的色素類胡蘿卜素葉綠素葉綠素a葉綠素b胡蘿卜素葉黃素（含量約占總量的3/4）（含量約占總量的1/4）（橙黃色）（黃色）（藍綠色）（黃綠色）最多較多最少較少思考：為什么春夏兩季植物的葉子呈綠色，而深秋樹葉則黃色呢？由于葉綠素含量約占總量的四分之三，而類胡蘿卜素僅占四分之一，葉綠素掩蓋了類胡蘿卜素顏色，所以通常植物的葉子總是呈綠色的。秋天葉綠素會因為氣溫下降等因素的影響而分解消失；胡蘿卜素和葉黃素則比較穩(wěn)定，所以深秋樹葉則黃色。作用種類作用中心色素作用種類天線色素絕大多數葉綠素a及全部葉綠素b、胡蘿卜素和葉黃素吸收、傳遞光能少數處于特殊狀態(tài)的葉綠素a吸收、轉換光能葉綠體中的類囊體薄膜上色素的分類：光合作用意義1.為人類活動提供能量：地球上的植物捕獲太陽能，并轉換為化學能貯存在有機物之中，成為我們今天工農業(yè)生產和日常生活中的重要動力資源。2.為人類提供有機物質：綠色植物通過光合作用合成大量的有機物，對生物界的貢獻是巨大的。這些有機物不僅是植物組織結構成分，也是植物各種生理活動的基礎，還是人類和動物賴以生存的食物和原料。

光合作用意義3.改善人類生活環(huán)境：人類和動物時刻都需要呼吸，吸入O2，吐出CO2。綠色植物光合作用時，固定CO2，放出O2，維持了大氣中的O2比例。甚至一部分O2轉變?yōu)槌粞酰∣3），在大氣中形成一種屏障，阻擋強紫外線的輻射，保護地球上的生物。另外，植樹造林還可阻擋沙塵，可起到凈化空氣的作用。反應過程依據是否需要光能將光合作用分為光反應和暗反應兩個階段.片層結構基質中色素分子ADP+PiATP2H2OO2酶吸收光解能可見光光反應4[H]C52C3多種酶固定還原暗反應C6H12O6+H2OCO22.1光合色素

2光反應光合色素因生物不同有差異，大體分為三類：

(1)葉綠素類（chlorophyll，Chl）:

高等植物的葉綠體中往往同時含有葉綠素a和b。這兩種光合色素均是綠色的。它們的吸收光譜都在350~650

nm的可見光范圍內，均有兩個光吸收峰，只是峰值略有差異。如菠菜葉綠素a的兩個光吸收峰分別是1=428

nm,2=662

nm。葉綠素b的兩個光吸收峰則分別是1'=452

nm,2'=644

nm。(2)類胡蘿卜素（carotenoid）類胡蘿卜素存在于所有植物、藻類、光合細菌的光合細胞之中。作為輔助色素的類胡蘿卜素已發(fā)現有70多種。其中最重要的是橙紅色的-胡蘿卜素和黃色的葉黃素（lutein）。類胡蘿卜素的吸收光譜在400~500

nm的可見光范圍內。它們吸收光能并將光能傳遞給葉綠素a，再由葉綠素將光能傳遞給光合作用中心，發(fā)生光化學反應。(3)藻膽色素

藻膽色素類主要有藻藍素（phycocyanobilin）和藻紅素（phycoerythrobilin），存在于藻類和某些細菌中并能夠與蛋白質結合的一類色素。與這些色素結合的蛋白質稱為藻膽蛋白。藻膽色素類分子中主要含有開環(huán)四吡咯結構，吸收光譜在400~500

nm的可見光范圍內。它們也是輔助色素，能夠吸收光能并將光能完全傳遞給葉綠素a。數百萬個藻膽蛋白高度有序地締合在一起的集裝體稱為藻膽體（phycobilisome）。它們是藻類生物的主要集光器。(1)光合單位（photosyntheticunit）

一個光合單位包括幾百個集光葉綠素或其它色素分子，收集入射光，通過誘導共振方式進行能量的傳遞單元。2.2光反應系統(tǒng)

(2)反應中心色素（reactioncenterpigment）反應中心色素是一個具有光化學反應特性的葉綠素a“特殊對”（二聚體）。中心色素能接受其它葉綠素等光合色素的能量。當中心色素的葉綠素分子被氧化時，就變?yōu)橐粋€陽離子自由基Chla.+，Chla.+作為電子受體，參與光化學反應。

(3)光系統(tǒng)（photosystem）

光系統(tǒng)是一個完整的具對光的吸收、能量傳遞和轉換，由多種色素和蛋白質組成的獨立結構。光系統(tǒng)分為光系統(tǒng)I（photosystemI，PSI）和光系統(tǒng)II（photosystemII，PSII）。

PSI于1955年由Duysens發(fā)現的。PSI中心色素分子的吸收峰值為700

nm，可用代號P700表示，中心色素復合蛋白屬于鐵氧還蛋白型，類似綠色硫細菌的光合系統(tǒng)。

PSII是1956年由KokB發(fā)現的。它的中心色素分子吸收峰值為680

nm，可用代號P680表示，中心色素復合蛋白屬于脫鎂葉綠素-醌型，類似紫色細菌的光系統(tǒng)。

光反應的最初階段是色素分子吸收光能進行氧化還原反應，以及光能轉變?yōu)殡娔艿倪^程。當聚光色素分子吸收光能并將其傳遞給作用中心時，作用中心色素分子（P）由基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)（P*），一個電子躍遷到較高的外軌道上。這種激發(fā)態(tài)極不穩(wěn)定，只能維持10-11~10-9秒。當激發(fā)態(tài)P*恢復到基態(tài)時，釋放的多余能量，可轉變成多種形式，

2.3光反應

光合電子傳遞鏈，簡稱光合鏈（photosyntheticchain），主要指以植物為代表的葉綠體類囊體膜上有序地排列著電子傳遞體，兩個光系統(tǒng)串聯(lián)在其中。光驅動電子從H2O流向NADP+，H2O被氧化、光解，釋放出O2；NADP+變?yōu)榫哂羞€原力的NADPH。質子跨膜梯度為光能轉變?yōu)榛瘜W能提供了條件。光合鏈圖形象側著排的Z字母，所以也叫Z圖式（Zscheme）。2.4光合電子傳遞鏈（Z圖式）

光合電子傳遞鏈（Z圖式）

PQ—質體醌；Cytb6f—細胞色素b6、細胞色素f復合體；PC—質藍素；A0—特殊葉綠素a；A1—葉綠醌；FeS—鐵硫蛋白；Fd—鐵氧還蛋白；FP—Fd-NADP氧化還原酶

光合電子傳遞鏈成員PQ—質體醌；Cytb6f—細胞色素b6、細胞色素f復合體；PC—質藍素；A0—特殊葉綠素a；A1—葉綠醌；FeS—鐵硫蛋白；Fd—鐵氧還蛋白；FP—Fd-NADP氧化還原酶

光合電子傳遞鏈成員光合磷酸化（photophosphorylation）光合生物細胞利用光能驅動光合鏈的電子傳遞，引起質子形成跨膜梯度和電位差，膜上CF0CF1-ATP合酶利用質子返回勢能，使ADP磷酸化形成ATP的過程。2.5光合磷酸化

2.5光合磷酸化

光反應階段酶光、色素、葉綠體內的類囊體膜上水的光解：H2O[H]+O2光能（還原劑）ATP的合成：ADP＋Pi＋能量（光能）ATP酶條件：場所：物質變化：能量變化：光能轉變?yōu)榛钴S的化學能貯存在ATP中色素分子ADP+PiATP2H2OO2酶吸收光解能可見光光反應二二氧化碳固定暗反應階段CO2的固定：CO2＋C52C3酶C3的還原：ATP[H]、ADP+Pi葉綠體的基質中多種酶、條件：場所：物質變化：能量變化：

ATP中活躍的化學能轉變?yōu)樘穷惖?/p>

有機物中穩(wěn)定的化學能2C3酶[H]、ATP暗反應C52C3多種酶固定還原C6H12O6+H2OCO2ADP+PiATP酶能[H]暗反應糖類(CH2O)

1945年美國的CalvinM等人利用單細胞小球藻作為實驗材料，應用14C示蹤技術和雙向紙層析法，經過十年的研究揭示了光合作用暗反應階段碳素同化及受體再生的循環(huán)途徑，因此稱為卡爾文循環(huán)（Calvin–Bensoncycle）。

由于途徑中的最初產物是三碳化合物（3-磷酸甘油酸），故也稱作C3途徑。

1卡爾文循環(huán)（C3途徑）

1.1CO2的固定

整個循環(huán)可分為三個階段：(1)CO2固定

CO2的固定（CO2fixation），即游離的CO2經酶促反應轉變?yōu)橛袡C物分子中的羧基,也稱作CO2的羧化（carboxylation）。CO2的受體是核酮糖-1,5-二磷酸（ribulose-1,5-bisphosphate，RuBP），催化此反應的酶是核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（ribulose-1,5-bisphosphatecarboxylase/oxygenase，Rubisco）。

1.1CO2的固定

整個循環(huán)可分為三個階段：(1)CO2固定

上述反應在夜間或黑暗條件下受阻

1,5-二磷酸羧化酶核酮糖-1,5-二磷酸

CO2的固定反應是卡爾文循環(huán)的限速步驟。其關鍵酶——Rubisco是個雙功能的酶。它的活性中心有兩種功能：既可以催化上述羧化反應，又可以催化加氧反應（在光呼吸中）。該酶位于葉綠體基質中，約占葉子可溶性蛋白的50%，是植物中含量最豐富的酶。1,5-二磷酸羧化酶1.1CO2的固定

Rubisco活性中心受CO2和Mg2+以及ATP的活化。酶的最適pH≈8。已知底物RuBP與Rubisco結合較牢，反而降低了羧化反應的速度，在Rubisco激活酶（Rubiscoactivase）的調節(jié)下，可以促進RuBP的釋放，活化了Rubisco?；罨^程中Rubisco激活酶需要ATP，因ATP來自于光反應，所以光是Rubisco的間接激活劑。

這一階段包括兩步反應：（1）在磷酸甘油酸激酶催化下，發(fā)生高能鍵的轉移，產生1，3-二磷酸甘油酸（BPG）；（2）在磷酸甘油醛脫氫酶的催化下，還原產生3-磷酸甘油醛（G3P）。第二步酶是光調節(jié)酶。反應中消耗的ATP和NADPH來自于前面介紹的光合作用光反應所產生的化學能和還原力。1.2羧化產物的還原

在磷酸丙糖異構酶的催化下，3-磷酸甘油醛（G3P）異構為磷酸二羥丙酮（DHAP）；接著在醛縮酶的催化下，縮合成果糖-1,6-二磷酸（FBP）；然后在光調節(jié)酶：果糖-1,6-二磷酸酶（fructose-1,6-bisphosphatase,FBPase）的催化下，水解去掉一個磷酸基團，變?yōu)楣?6-磷酸（F6P）；再經磷酸葡萄糖異構酶催化，就變?yōu)槠咸?6-磷酸（G6P）1.3受體的再生

1.3受體的再生

果糖-6-磷酸葡糖-6-磷酸

磷酸丙糖是代謝中的一個轉折點，除了參與卡爾文循環(huán)中的反應外，還有其它去路：①轉化為淀粉，作為植物貯存形式備用；②外運到細胞質中先形成蔗糖，再轉移到植物生長的區(qū)域；③在發(fā)育的葉片中，相當一部分磷酸丙糖轉移到細胞質，進入糖酵解、TCA循環(huán)等途徑為生物供能。1.3受體的再生

1.3受體的再生

5-磷酸木酮糖

醛縮酶還可將上述反應產生的4-磷酸赤蘚糖與磷酸二羥丙酮縮合，形成七碳糖：景天庚酮糖-1,7-二磷酸（SBP）。在景天庚酮糖二磷酸酶（sedoheptulosebisphosphatase，SBPase）的作用下，SBP被水解，去除一個磷酰基，成為景天庚酮糖-7-磷酸（S7P）。此水解酶是光調節(jié)酶，也是植物中特有的酶1.3受體的再生

1.3受體的再生

磷酸二羥丙酮4-磷酸赤蘚糖景天庚酮糖-1,7-二磷酸景天庚酮糖-7-磷酸1.3受體的再生

轉羥乙醛酶還可以催化酮糖供體“景天庚酮糖-7-磷酸”將羥乙醛基轉移給醛糖受體“3-磷酸甘油醛”，產生5-磷酸核糖（R5P）和5-磷酸木酮糖（Xu5P）。1.3受體的再生

再經兩種異構酶催化，可發(fā)生五碳糖的轉變，其共同的目標是形成5-磷酸核酮糖（Ru5P）。Xu5P經磷酸核酮糖差向異構酶催化，C3上羥基位置的改變，就可以變成Ru5P。5-磷酸木酮糖5-磷酸核酮糖1.3受體的再生

R5P經磷酸核糖異構酶催化，醛糖就可以變成酮糖Ru5P5-磷酸核糖5-磷酸核酮糖1.3受體的再生

最后在磷酸核酮糖激酶（phosphoribulosekinase）催化下,消耗1ATP,產生1,5-二磷酸核酮糖（RuBP），完成了受體的再生。

⑴

Rubisco*；⑵磷酸甘油酸激酶；⑶磷酸甘油醛脫氫酶*⑷磷酸丙糖異構酶；⑸醛縮酶；⑹FBPase*；⑺磷酸葡糖異構酶；⑻磷酸葡糖酶；⑼轉羥乙醛酶；⑽醛縮酶；⑾SBPase*；⑿轉羥乙醛酶；⒀磷酸核酮糖差向異構酶；⒁磷酸核糖異構酶；⒂磷酸核酮糖激酶*

1.3受體的再生

總反應式

光合作用的卡爾文循環(huán)中，每同化一分子CO2，需要消耗三分子ATP和二分子的NADPH。

或

C4途徑是一種在光合作用中與卡爾文循環(huán)有一定聯(lián)系的輔助途徑。該途徑的作用是固定、濃縮和轉運CO2到C3途徑所在的維管束鞘細胞中，使其中的CO2濃度升高，提高其光合作用速率。因CO2固定最初產物是四碳二羧酸，固稱為C4途徑。通過C4途徑固定、同化CO2的植物，簡稱為C4植物，如玉米、甘蔗、高粱、莧菜、狼尾草、黍等。2C4途徑

C3植物與C4植物光合作用的差異在于暗反應階段：C3植物的CO2固定及碳素同化途徑均在葉肉細胞的葉綠體中進行。C4植物的CO2固定先在靠近葉表面的葉肉細胞中進行，然后經C4途徑的四碳二羧酸的轉移，把CO2運輸到葉片內部維管束鞘細胞的葉綠體中，再進行卡爾文循環(huán)?？梢奀4植物碳同化過程應包括C4途徑和C3途徑。2.1

C4途徑與C3途徑的關系

2.1

C4途徑與C3途徑的關系

C4途徑將CO2和Rubisco(1,5-二磷酸羧化酶)從氧含量較高的葉片表面轉移到氧濃度較低的內部維管束鞘細胞之中，再進行CO2的固定反應。其轉移的目的是避免Rubisco發(fā)生另一種浪費資源的加氧反應。熱帶禾本科植物采用C4途徑的原因之一是克服了高溫條件下CO2和Rubisco的親和力的下降。2.1

C4途徑與C3途徑的關系

C4途徑CO2的最初受體是一種三碳化合物——磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），在PEP羧化酶催化下，固定CO2，生成草酰乙酸（OAA）2.2C4途徑中主要的酶促反應

這個反應在葉肉細胞質中進行。PEP羧化酶對CO2的親和力很強，其Km≈7mol/L，而此時的Rubisco的Km≈450mol/L。PEP羧化酶從高