糖類(lèi)分解代謝教學(xué)課件

1、5.1 新陳代謝概論5.2 生物體內(nèi)的糖類(lèi)5.3 雙糖和多糖的酶促降解5.4 糖酵解5.5 三羧酸循環(huán)5.6 磷酸戊糖途徑5.7 糖醛酸途徑5 糖類(lèi)分解代謝5.1 新陳代謝概論同化作用( assimilation )合成代謝異化作用( dissimilation )分解代謝新陳代謝是生物與周?chē)h(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的過(guò)程.新陳代謝影響因素 遺傳主要環(huán)境次要絕大多數(shù)代謝反應(yīng)在溫和條件下，由酶催化進(jìn)行。繁多的代謝反應(yīng)相互配合，有條不紊，彼此協(xié)調(diào)且 有嚴(yán)格的順序性。新陳代謝是對(duì)內(nèi)外環(huán)境條件高度適應(yīng)和靈敏調(diào)節(jié)而 成的一個(gè)有規(guī)律的總過(guò)程。每一代謝都有各自的代謝途徑。生物大分子合成和分解都是逐步進(jìn)行，并伴

2、隨能量 的吸收和釋放。新陳代謝類(lèi)型的特點(diǎn)：苯環(huán)化合物示蹤法：Knoop利用苯甲酸、苯乙酸 標(biāo)記脂肪酸，提出了脂肪酸-氧化學(xué)說(shuō)。 5.1.2 代謝的研究方法放射性同位素示蹤法：卡爾文以14CO2飼喂植物，再用紙層析分離CO2代謝的中間物，提出光合作用中CO2轉(zhuǎn)變?yōu)樘堑目栁难h(huán)(Calvin cycle)。 5.1.2.1 示蹤法 穩(wěn)定同位素示蹤法：利用15NH4Cl，標(biāo)記DNA分子， 證明了DNA的半保留復(fù)制方式。5.1.2.2 抗代謝物、酶抑制劑的應(yīng)用在離體條件下，使用抗代謝物和酶抑制劑阻抑、改變 反應(yīng), 觀察被抑制或改變后的結(jié)果, 推測(cè)中間代謝。5.1.2.3 體內(nèi)試驗(yàn)和體外試驗(yàn) 體內(nèi)研究

3、(in vivo) 以生物整體進(jìn)行中間代謝研究稱(chēng)為體內(nèi)研究，包括用整體器官或微生物細(xì)胞群進(jìn)行的研究。 Knoop以犬為研究對(duì)象，飼喂苯環(huán)標(biāo)記的脂肪酸，再研究犬尿中苯標(biāo)記物狀態(tài)。體外研究(in vitro， no vivo)以組織切片、勻漿、提取液為材料進(jìn)行研究。Krebs以肌肉糜(勻漿)為材料，研究抑制劑和反應(yīng)物加入后對(duì)反應(yīng)中間物和代謝終產(chǎn)物的影響，確定了三羧酸循環(huán)的反應(yīng)歷程。 糖是具有實(shí)驗(yàn)式(CH2O)n的多羥基醛或酮， 分為單糖、寡糖、多糖、結(jié)合糖四類(lèi)。 5.2 生物體內(nèi)的糖類(lèi)生物體內(nèi)重要能源, 分解產(chǎn)生ATP供需能代謝之用。糖的生物學(xué)作用： 分解代謝的許多中間物是合成AA,脂肪,核苷酸原

4、料。 糖與蛋白質(zhì)、脂類(lèi)結(jié)合成復(fù)合糖，參與細(xì)胞識(shí)別、 防御、免疫、粘附、結(jié)構(gòu)等多種過(guò)程。 非糖代謝底物可經(jīng)過(guò)其它途徑, 再轉(zhuǎn)化為糖分解代謝的 中間物，徹底氧化分解或者沿糖異生途徑轉(zhuǎn)化為糖，形成了以糖為中心的代謝網(wǎng)絡(luò)。 結(jié)構(gòu)功能，如纖維素等 。單糖是最簡(jiǎn)單的，不再被水解成更小的糖單位。 ( CH2O )n n = 395.2.1 單糖 ( monosaccharides ) 根據(jù)單糖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又分為醛糖和酮糖。 根據(jù)單糖碳原子數(shù)目分為丙、丁、戊、已糖等。 丙糖中的醛糖是甘油醛，有一個(gè)不對(duì)稱(chēng)碳原子，故其 構(gòu)型有D-甘油醛和L-甘油醛之分。 凡可視為D-甘油醛衍生物的糖都是D-糖； 凡可視為L(zhǎng)-甘油醛衍

5、生物的糖都是L-糖。自然界中單糖多為醛糖, 己糖最普遍,最重要; 戊糖次之。己醛糖中葡萄糖分布最廣, 是構(gòu)成淀粉、糖原、纖維素 及其他許多糖類(lèi)物質(zhì)的基本單位。單糖具有旋光性，旋光度可借旋光儀測(cè)得，計(jì)算得到 旋光率。單糖能與酸、堿起作用，不同條件下氧化 產(chǎn)生不同類(lèi)型酸。單糖被還原成醇, 有成蠟, 成糖苷和成腙, 成脎反應(yīng)， 常借助這些反應(yīng)分析，鑒定糖。葡萄糖是人類(lèi)血液的正常成分，給機(jī)體提供能量。已糖多以較穩(wěn)定的1:5氧橋的六元環(huán)結(jié)構(gòu)( 吡喃型 )存在。 單糖中的酮糖，與醛糖相同，具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，五元環(huán) 呋喃型糖較常見(jiàn)。在溶液中，六元環(huán)結(jié)構(gòu)己糖常與極少量1: 4氧橋五元環(huán) 結(jié)構(gòu)(呋喃型)糖成平衡狀態(tài)

6、。戊糖以呋喃型結(jié)構(gòu)存在。 在環(huán)狀結(jié)構(gòu)中戊糖、己糖分別含有四個(gè)、五個(gè)不對(duì)稱(chēng) 碳原子，它們分別有24，25種同分異構(gòu)體。每種糖依據(jù)第一碳原子上羥基和氫的相對(duì)空間位置分為 和型兩類(lèi)，它們互為異頭物。 雙糖中常見(jiàn)的是蔗糖( sucrose) 、麥芽糖( maltose )、 乳糖( lactose )。5.2.2 寡糖( oligosaccharides )寡糖是少數(shù)單糖( 210 )的縮合產(chǎn)物，最重要的是雙糖。麥芽糖和乳糖仍有一個(gè)自由醛基半縮醛基，故仍具有還原、成脎、變旋等性質(zhì)。 蔗糖分子由葡萄糖和果糖經(jīng)醛、酮基縮合，是非還原糖。失去還原、成腙、變旋等特性。麥芽糖分子由兩分子葡萄糖縮合；乳糖分子由葡

7、萄糖和半乳糖通過(guò)1,4-糖苷鍵連接起來(lái)。常見(jiàn)的有由一種類(lèi)型的糖基組成的淀粉( starch )、糖原( glycogen ) 和纖維素( cellulose )等。5.2.3 多糖( polysaccharides )多糖是多個(gè)單糖基通過(guò)糖苷鍵連接而形成的高聚物。淀粉遇碘液呈紫藍(lán)色反應(yīng)。能被酸或淀粉酶水解，逐步 降解時(shí)遇碘可顯出不同顏色。淀粉紅色糊精無(wú)色糊精麥芽糖 葡萄糖藍(lán)紫 紅色 不顯色 不顯色 不顯色 淀粉是由- D-葡萄糖縮合而成, 是植物貯存的養(yǎng)料, 分為直鏈和支鏈淀粉，葡萄糖分子間多是(14)糖苷健，而分支點(diǎn)上是 (16)糖苷健。 直鏈淀粉溶于熱水,MD: 1.01042.0106,

8、 含250300個(gè)葡萄糖殘基, 分子通常卷曲為螺旋形，6 G / 圈。 直鏈淀粉遇碘呈紫蘭色，最大吸收波長(zhǎng)620680 nm。支鏈淀粉不溶于熱水,MD: 5.01044.0108，約含 600個(gè)葡萄糖殘基, 糖鏈分支點(diǎn)以(16)糖苷鍵連接, 分支短鏈平均長(zhǎng)度為2430個(gè)葡萄糖殘基。支鏈淀粉遇碘顯紫紅色, 最大吸收波長(zhǎng)530555nm之間。糖原分子量較淀粉略大，分支較支鏈淀粉略多，單糖連接方式與支鏈淀粉相同，分支鏈平均長(zhǎng)度約1218個(gè)葡萄糖殘基。糖原遇碘顯棕紅色，最大吸收波長(zhǎng)430490nm。較易溶于水，其他性質(zhì)與淀粉相似。 糖原是動(dòng)物組織內(nèi)糖的貯存形式，如肝和肌肉中貯存的養(yǎng)分，有動(dòng)物淀粉之稱(chēng)。

9、纖維素是構(gòu)成植物軀干主要成分，它由許多-D-葡萄糖分子通過(guò)(14)糖苷鍵縮合生成, 其分子甚大，因此纖維素不溶于水，稀酸、稀堿及其他普通有機(jī)溶劑。多糖由一種以上類(lèi)型的糖及其衍生物殘基組成。糖胺聚糖(粘多糖)為含氮多糖。透明質(zhì)酸, 硫酸軟骨素, 硫酸皮膚素，硫酸角質(zhì)素、肝素以及硫酸乙酰肝素，存在于軟骨, 腱等結(jié)締組織和各種腺體分泌粘液中。有構(gòu)成組織間質(zhì)，潤(rùn)滑劑、防護(hù)劑等多方面作用。多糖研究近20年來(lái)取得了突破性的進(jìn)展，并已成為近代生物化學(xué)中一個(gè)新興的活躍領(lǐng)域。 5.3.1 蔗糖、麥芽糖、乳糖的酶促降解5.3.1.1 蔗糖的水解 蔗糖是植物光合作用產(chǎn)物的主要運(yùn)輸形式。 在蔗糖合成酶作用下水解5.3

10、 雙糖和多糖的酶促降解 在蔗糖酶( 轉(zhuǎn)化酶 )作用下水解5.3.1.2 麥芽糖的水解麥芽糖酶可催化麥芽糖水解為葡萄糖。 5.3.1.3 乳糖的水解 乳糖在-半乳糖苷酶催化下水解為葡萄糖和半乳糖。14乳糖OCH2OHOCH2OHOHO14123麥芽糖5.3.2.1 淀粉酶促水解5.3.2 淀粉(糖原)的酶促降解淀粉( 糖原 )有水解和磷酸解兩種酶促降解途徑。-淀粉酶: 耐熱(70,15min)不耐酸(pH3.3)，在淀粉 分子內(nèi)部隨機(jī)水解-1, 4糖苷鍵，將直鏈淀粉水解的 產(chǎn)物為葡萄糖, 麥芽糖; 支鏈淀粉作用產(chǎn)物為葡萄糖, 麥芽糖和糊精。 -淀粉酶: 耐酸不耐熱,從多糖非還原端的-1, 4 糖

11、苷鍵，將直鏈淀粉水解成麥芽糖；將支鏈淀粉 (或糖原)水解為麥芽糖和極限糊精。脫支酶(R酶)專(zhuān)一水解-1,6糖苷鍵。支鏈淀粉經(jīng)淀粉 酶水解產(chǎn)生極限糊精, 由脫支酶水解去除-1,6鍵連接 葡萄糖，再在-淀粉酶和-淀粉酶作用下徹底水解。麥芽糖酶水解麥芽糖和糊精-1,4糖苷鍵,生成葡萄糖. 淀粉磷酸化酶廣泛存在于葉片及絕大多數(shù)貯藏器官中, 催化-1,4葡聚糖非還原末端的葡萄糖轉(zhuǎn)移給Pi, 生成 G1P, 同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)新非還原末端, 繼續(xù)進(jìn)行磷酸化。5.3.2.2 淀粉的磷酸解淀粉 + n H3PO4 = n G1P 糖原磷酸化酶主要位于肝臟,分解糖原直接補(bǔ)充血糖。 糖原磷酸化酶(glycogen ph

12、osphorylase)是糖原降 解限速酶，在一定條件下可相互轉(zhuǎn)變的兩種形態(tài)： 糖原磷酸化酶a(活化態(tài))、糖原磷酸化酶b(失活態(tài)) 5.3.2.3 糖原的磷酸解糖原在磷酸化酶a作用下,從非還原端逐個(gè)磷酸解下葡萄 糖基生成G1P,切至離分支點(diǎn)4個(gè)葡萄糖殘基處停止， 再由-1,4-1,4-寡聚糖基轉(zhuǎn)移酶切下分支點(diǎn)麥芽三糖，同時(shí)將它轉(zhuǎn)移到另一鏈上以-1,4糖苷鍵連接，被加長(zhǎng) 支鏈仍由糖原磷酸化酶a磷酸解,連接有1個(gè)葡萄糖殘基 的-1,6糖苷鍵由脫支酶水解形成葡萄糖。糖原纖維素是由100010000個(gè)-D-葡萄糖通過(guò)-1,4糖苷鍵連接的直鏈分子，是植物細(xì)胞壁的主要組分。纖維素可在酸或纖維素酶作用下水解

13、為-葡萄糖。5.3.3 細(xì)胞壁多糖的酶促降解在生物體內(nèi)首先要將多糖水解為單糖才能為生命活動(dòng)提供能源或碳源。葡萄糖是大多數(shù)有機(jī)體生命活動(dòng)的主要能源，細(xì)胞通過(guò)分解葡萄糖將其中所含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成細(xì)胞能夠利用的形式(ATP)。單糖的分解代謝G徹底氧化分解成CO2、H2O經(jīng)歷EMP-TCA、 電子傳遞、氧化磷酸化階段將氧化釋放能量轉(zhuǎn)變成ATP糖酵解是指葡萄糖在酶作用下，在細(xì)胞質(zhì)中經(jīng)一系列脫氫氧化分解成丙酮酸的過(guò)程。由于氧化分解沒(méi)有氧氣參與，故稱(chēng)為糖酵解。G. Embden, O. Meyerhof, J. K. Parnas在研究糖酵解途徑中作出了重大貢獻(xiàn)，簡(jiǎn)稱(chēng)為EMP途徑。EMP 細(xì)胞學(xué)定位： 細(xì)胞質(zhì)

14、5.4 糖酵解( glycolysis )EMP5.4.1 糖酵解的概念5.4.2 EMP的生化歷程EMP 己糖的磷酸化 (1-3)磷酸己糖的裂解(4-5)丙酮酸的生成 (6-10)第一階段：葡萄糖 1,6-二磷酸果糖第二階段：1, 6-二磷酸果糖 3-磷酸甘油醛第三階段：3-磷酸甘油醛 丙酮酸第三階段：3-磷酸甘油醛 丙酮酸5.4.2.1 己糖的磷酸化葡萄糖的磷酸化(phosphorylation of glucose) G在己糖激酶(HK)作用下消耗ATP，生成 G6P，這不僅活化了G，也有利于進(jìn)一步參與合成與分解代謝， 同時(shí)還能使進(jìn)入細(xì)胞的G不再逸出細(xì)胞。Mg2+是HK的激活劑，己糖激酶

15、HK是第1個(gè)限速酶。6-磷酸葡萄糖的異構(gòu)反應(yīng)(isomerization of glucose-6-phosphate) 磷酸己糖異構(gòu)酶 ( phosphohexose isomerase )催化 6-磷酸葡萄糖(G6P)轉(zhuǎn)變?yōu)?6-磷酸果糖 (F6P) 。 磷酸果糖激酶(phosphofructokinase, PFK)催化F6P第一位C上磷酸化生成 FBP, 磷酸根由ATP供給。 Mg2+是PFK的激活劑, 己糖激酶PFK是第2個(gè)限速酶。6-磷酸果糖的磷酸化(phosphorylation of fructose-6-phosphate) 1.6-二磷酸果糖的裂解(cleavage of

16、fructose 1,6 di/bis phosphate) 5.4.2.2 磷酸己糖的裂解醛縮酶(aldolase)催化FBP生成 DHAP 和 GAP。磷酸二羥丙酮的異構(gòu)反應(yīng)(isomerization of dihydroxyacetonephosphate)磷酸丙糖異構(gòu)酶(triose phosphate isomerase) 催化 DHAP 轉(zhuǎn)變?yōu)?GAP。1分子葡萄糖生成2分子3-磷酸甘油醛，通過(guò)兩次磷酸化作用消耗 2 分子ATP。 3-磷酸甘油醛的氧化(oxidation of glyceraldehyde-3-phosphate） 3-磷酸甘油醛脫氫酶催化 GAP 氧化脫氫并磷

17、酸化 生成含有1個(gè)高能磷酸鍵的BPGA，反應(yīng)脫下的氫 和電子轉(zhuǎn)給NAD生成NADH,磷酸根來(lái)自無(wú)機(jī)磷酸。 5.4.2.3 丙酮酸的生成磷酸甘油酸激酶(phosphaglycerate kinase,PGK)催化BPGA生成 3-PGA,同時(shí)其C1上高能磷酸根轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP。1.3-二磷酸甘油酸的高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移反應(yīng) 此步反應(yīng)為第一次底物水平磷酸化過(guò)程。在底物氧化過(guò)程中，將底物分子中高能磷酸基團(tuán)直接 轉(zhuǎn)移給ADP，偶聯(lián)生成ATP的反應(yīng), 稱(chēng)此類(lèi)反應(yīng)為 底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)。 磷酸甘油酸變位酶(phosphoglycerate mu

18、tase)催化 3-PGA的C3位上的磷酸基轉(zhuǎn)變到C2位上生成2-PGA。3-磷酸甘油酸的變位反應(yīng) 由烯醇化酶(enolase)催化，2-PGA脫水的同時(shí)，能量重新分配，生成含高能磷酸鍵的磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate , PEP )。2-磷酸甘油酸的脫水反應(yīng) 在丙酮酸激酶(pyruvate kinase, PK)催化下，PEP上的高能磷酸根轉(zhuǎn)移至ADP生成ATP。 此步是第二次底物水平的磷酸化過(guò)程。磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸轉(zhuǎn)移Mg2+是PK的激活劑, 丙酮酸激酶PK是第3個(gè)限速酶。GlycolysisGG6PF6 PFBPDHAPGAPBPGA3-PGA2PGAPEP

19、 PyrLacHexokinasePhosphoglucoseisomerasePhosphofructokinaseAldolaseTriosephosphateisomeraseGlyceraldehyde3-phosphatedehydrogenasePhosphoglyceratekinasePhosphoglyceratemutaseEnolasePyruvate kinaseLactate dehydrogenaseNADH NADNADH NADATPATPATPATPADPADPADPADPEMP總結(jié)3階段10步反應(yīng)3步不可逆2步耗能2步產(chǎn)能2步底物水平磷酸化1步脫水G+2Pi

20、+2NAD+2ADP2Pyr+2ATP+2NADH+2H+2H2O 1分子 G 經(jīng)過(guò) EMP 氧化分解產(chǎn)生 2個(gè)Pyr，2個(gè)ATP, 2個(gè) NADH。 2個(gè)NADH若進(jìn)入有氧徹底氧化途徑, 可產(chǎn)生5個(gè) ATP。 因此： EMP 共生成7個(gè)ATP。G+2Pi+2NAD+2ADP2Pyr+2ATP+2NADH+2H+2H2O5.4.3 糖酵解的化學(xué)計(jì)量于生物學(xué)意義EMP是糖的有氧氧化和無(wú)氧氧化的一段共同途徑。EMP是有機(jī)體無(wú)氧條件下獲得能量的一種適應(yīng)方式。EMP一些中間產(chǎn)物可作為合成其它重要生命 物質(zhì)原料.EMP在糖與非糖物質(zhì)相互轉(zhuǎn)變過(guò)程中起著重要作用。EMP的生物學(xué)意義5.4.4 糖酵解的其它底

21、物5.4.5 丙酮酸的去路丙酮酸有氧氧化無(wú)氧還原乳酸脫氫酶丙酮酸脫羧酶乳酸乙醛乙醇TCA循環(huán) CO2 + ATP乳酸的生成乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase)催化 Pyr 脫氫生成 Lac。Pyr作為氫接受體將GAP脫氫生成的NADH氧化為NAD，使糖酵解繼續(xù)進(jìn)行。 在酵母菌或其他微生物中，丙酮酸脫羧酶催化丙酮酸 脫羧變成乙醛，乙醛在醇脫氫酶催化下被NADH還原形成乙醇。乙醇發(fā)酵存在于真菌和缺氧的植物器官(如淹水的根)中.乙醇發(fā)酵可用于釀酒、面包制作等。在有氧條件下乙醛可被氧化生成乙酸。 生成乙醇代謝受到嚴(yán)格而精確的調(diào)節(jié), 以滿(mǎn)足機(jī)體需要, 保持內(nèi) 環(huán)境穩(wěn)定。這種控制主要是

22、通過(guò)調(diào)節(jié)酶活性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在一個(gè)代謝過(guò)程中往往催化不可逆反應(yīng)的酶限制代謝 反應(yīng)速度，這種酶稱(chēng)為限速酶。5.4.6 糖酵解的調(diào)節(jié)糖酵解途徑中己糖激酶(HK)，磷酸果糖激酶(PFK)和丙酮酸激酶(PK)是主要限速酶，調(diào)節(jié)著糖酵解速度，以滿(mǎn)足細(xì)胞對(duì)ATP和合成原料的需要。三個(gè)限速酶中起決定作用的是催化效率最低的酶PFK。因此它是一個(gè)限速酶，酵解速度主要決定于其活性。 F6P、FBP、ADP、AMP是磷酸果糖激酶(PFK) 別構(gòu)激活劑。 ATP、檸檬酸等是 PFK 的別構(gòu)抑制劑。5.4.6.1 磷酸果糖激酶 ( PFK )ATP 既是 PFK作用的底物，又起抑制作用。酶活性中心對(duì)ATP的Km值低,別構(gòu)中

23、心對(duì)ATP的Km高。當(dāng)ATP濃度低時(shí), ATP和酶的活性中心結(jié)合作為底物，酶發(fā)揮正常的催化功能；當(dāng)ATP濃度高時(shí)，ATP可被酶的別構(gòu)中心結(jié)合，引起酶構(gòu)象改變而失活，ATP是別構(gòu)抑制劑。ATP通過(guò)濃度變化影響 PFK 活性，調(diào)節(jié)EMP 速度。檸檬酸和脂肪酸分別是糖有氧分解中間物和以糖分解中間物為原料合成的產(chǎn)物。PFK被H+抑制，在pH明顯下降時(shí)糖酵解速率降低。 這防止在缺氧條件下形成過(guò)量乳酸而導(dǎo)致酸毒癥。檸檬酸和脂肪酸對(duì)磷酸果糖激酶的別構(gòu)抑制 H+對(duì)磷酸果糖激酶的調(diào)節(jié)果糖-2,6-二磷酸激酶(PFK2)催化 F6P磷酸化形成 F-2,6-BP;而果糖-2,6-二磷酸酯酶(FBPase2)催化F-

24、2,6-BP 水解去磷酸形成 F6P。果糖-2,6-二磷酸對(duì)磷酸果糖激酶的調(diào)節(jié)但這兩個(gè)相反催化活性酶是集兩種活性為同一多肽鏈 的雙功能酶。N端一半為PFK2的活性中心,C端一半 為FBPase2活性中心, 一般寫(xiě)作:PPK2 / FBPase2。當(dāng)血液中葡萄糖G水平降低時(shí), 激活胰高血糖素釋放于 血液中,啟動(dòng)cAMP級(jí)聯(lián)系統(tǒng)使PFK2/PBPase2多肽上 特定的一個(gè)Ser殘基磷酸化，使FBPase2活化、PFK2 抑制, 使FBP水平降低, 降低了糖酵解水平。F6P激活其PFK2活性而抑制其FBPase2活性,而FBP 強(qiáng)烈激活PFK，F(xiàn)6P高時(shí)促進(jìn)糖酵解進(jìn)行。 反之,當(dāng)G水平高時(shí)，蛋白磷酸

25、酶水解PFK2/FBPase2上的磷酸導(dǎo)致FBP升高，提高糖酵解速率。己糖激酶(HK)的別構(gòu)抑制劑為其產(chǎn)物 G6P。當(dāng)磷酸 果糖激酶(PFK)活性被抑制時(shí),底物 F6P積累,進(jìn)而使 G6P濃度升高，從而引起HK活性下降。 5.4.6.2 己糖激酶(HK)5.4.6.3 丙酮酸激酶 ( PK )丙酮酸激酶具有變構(gòu)酶性質(zhì)，高濃度ATP、Ala、乙酰CoA等代謝物反饋抑制其活性。當(dāng)ATP生成量超過(guò)細(xì)胞需要時(shí), 通過(guò)PK別構(gòu)抑制使EMP速度減低。cAMP激活蛋白激酶也使PK磷酸化而失活.ADP是變構(gòu)激活劑，Mg2+或K+可激活PK活性。1937年，H.A.Krebs以鴿胸肌為材料, 研究丙酮酸在有氧條

26、件下在線(xiàn)粒體中被氧化分解為CO2, 整個(gè)氧化分解過(guò)程構(gòu)成一個(gè)循環(huán),且反應(yīng)中有三個(gè)羧基的有機(jī)酸, 稱(chēng)三羧酸循環(huán)、檸檬酸循環(huán)、Krebs循環(huán)。5.5 三羧酸循環(huán) (tricarboxylic acid cycle，TCA)TCA 循環(huán)：EMP的終產(chǎn)物丙酮酸在有氧條件下進(jìn)入 線(xiàn)粒體，氧化分解為CO2的過(guò)程。TCA 循環(huán)在動(dòng)植物、微生物細(xì)胞中普遍存在，不僅是 糖分解代謝的主要途徑，也是脂肪、蛋白質(zhì)分解代謝的最終途徑，具有重要的生理意義。突出性貢獻(xiàn)，經(jīng)典性成就，1953年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。三羧酸循環(huán)草酰乙酸檸檬酸異檸檬酸a-酮戊二酸琥珀酸輔酶A琥珀酸延胡索酸蘋(píng)果酸乙酰輔酶A5.5.1 丙酮酸氧化為乙酰C

27、oA Pyr脫氫酶系(pyruvate dehydrogenase system): 多酶復(fù)合體, 位于線(xiàn)粒體內(nèi)膜上, 催化Pyr氧化脫羧生成乙酰CoA。多酶復(fù)合體形成緊密相連的連鎖反應(yīng),提高了催化效率。酶系催化5步反應(yīng), 涉及焦磷酸硫胺素(TPP)、硫辛酸、FAD、NAD+、HS-CoA、Mg2+等6種輔因子。Pyr脫氫酶系3種酶E1丙酮酸脫羧酶E2硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶E3二氫硫辛酸脫氫酶 Pyr氧化脫羧過(guò)程第一步脫羧反應(yīng)不可逆，這一反應(yīng) 體系受到產(chǎn)物和能量物質(zhì)的調(diào)節(jié)。 乙酰CoA抑制硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶E2， NADH抑制二氫硫辛酸脫氫酶E3。 抑制效應(yīng)可被CoA-SH和NAD+逆轉(zhuǎn)。 產(chǎn)物抑制核

28、苷酸調(diào)節(jié)丙酮酸脫羧酶E1受GTP抑制, 為AMP活化，當(dāng)細(xì)胞內(nèi) 富有活躍的化學(xué)能時(shí)，丙酮酸脫氫酶系活性降低。Pyr到乙酰CoA是處于各代謝途徑分支點(diǎn)的重要步驟。丙酮酸脫羧酶分子上特殊的Ser殘基可被專(zhuān)一磷酸激酶 磷酸化, 失去活性, 當(dāng)酶上磷酸基團(tuán)被專(zhuān)一的磷酸酶 水解時(shí), 活性恢復(fù)。共價(jià)修飾調(diào)節(jié)ATP/ADPNADH/NAD+乙酰CoA/CoA-SH比值高時(shí)，在檸檬酸合成酶(citrate synthetase)催化下，乙酰CoA與草酰乙酸(oxaloacetate,OAA)縮合成檸檬酸(citrate )。5.5.2 三羧酸循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)乙酰CoA與草酰乙酸縮合成檸檬酸此反應(yīng)釋放能量，不可逆。乙

29、酰CoA具有硫酯鍵，乙酰基有足夠能量與草酰乙酸的羧基進(jìn)行醛醇型縮合。先從CH3CO基上除去一個(gè)H+,生成的陰離子對(duì)草酰乙酸羰基碳進(jìn)行親核攻擊，生成檸檬酰CoA中間體,高能硫酯鍵水解放出游離檸檬酸。 變構(gòu)激活劑：AMP草酰乙酸和乙酰CoA合成檸檬酸是TCA的重要調(diào)節(jié)點(diǎn)。 檸檬酸合成酶是變構(gòu)酶。 變構(gòu)抑制劑：ATP、 -酮戊二酸、NADH在順烏頭酸酶催化下，檸檬酸脫水生成順烏頭酸， 加水生成異檸檬酸。 異檸檬酸形成在異檸檬酸脫氫酶作用下，異檸檬酸氧化脫氫生成為 草酰琥珀酸(oxalosuccinate) 中間產(chǎn)物，再脫羧生成-酮戊二酸(-ketoglutarate)、NADH、CO2。異檸檬酸氧化

30、脫酸生成-酮戊二酸此反應(yīng)為-氧化脫羧，此酶需要Mg2+作為激活劑。在-酮戊二酸脫氫酶系作用下，-酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀酰CoA、NADH、CO2，氧化產(chǎn)生能量中一部分儲(chǔ)存于琥珀酰CoA的高能硫酯鍵中。 -酮戊二酸氧化脫羧硫辛酸-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體, 受ATP、GTP、NADH、 琥珀酰CoA抑制, 但不受磷酸化/去磷酸化的調(diào)控。 -酮戊二酸脫氫酶系-酮戊二酸脫羧酶 硫辛酸琥珀?；D(zhuǎn)移酶二氫硫辛酸脫氫酶3個(gè)酶6個(gè)輔酶TPPHS-CoANADFADMg 2+在琥珀酸硫激酶(succinate thiokinase)作用下，琥珀酰CoA硫酯鍵水解, 生成琥珀酸, 釋放自由能合成GTP。琥珀酸的生

31、成細(xì)菌和高等生物可直接生成ATP，在哺乳動(dòng)物中先生成GTP, 再生成ATP, 琥珀酰CoA生成琥珀酸和輔酶A。 此步反應(yīng)為底物水平磷酸化過(guò)程。琥珀酸脫氫酶(succinate dehydrogenase)催化琥珀酸氧化成為延胡索酸( 反丁烯二酸 )。琥珀酸脫氫生成延胡索酸 琥珀酸脫氫酶結(jié)合在線(xiàn)粒體內(nèi)膜上，琥珀酸脫氫酶含有鐵硫中心和共價(jià)結(jié)合的FAD，來(lái)自 琥珀酸的電子通過(guò)FAD和鐵硫中心，然后進(jìn)入電子 傳遞鏈(ETC)到O2。 其他TCA酶都存在于線(xiàn)粒體基質(zhì)中。丙二酸是琥珀酸的類(lèi)似物，是琥珀酸脫氫酶強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)性抑制物，所以可以阻斷TCA。 延胡索酸酶具有立體異構(gòu)專(zhuān)一性，僅對(duì)反丁烯二酸 ( 延胡

32、索酸 )起作用，而對(duì)順丁烯二酸( 馬來(lái)酸 )則 無(wú)催化作用。蘋(píng)果酸的生成延胡索酸在延胡索酸酶作用下水化生成蘋(píng)果酸(Mal)。在蘋(píng)果酸脫氫酶(malic dehydrogenase)作用下, 蘋(píng)果酸脫氫氧化生成草酰乙酸(OAA)。草酰乙酸再生NAD是蘋(píng)果酸脫氫酶的輔酶，接受氫成為NADH。Citric acid cycleCitrateSuccinyl-CoAsynthetaseAconitaseCitrate synthaseSuccinatedehydrogenaseGTPGDPOxaloacetatePyruvateAconitaseIs ocitratedehydrogenaseIs o

33、citratedehydrogenase-KetoglutaratedehydrogenaseSuccinyl-CoA-KetoglutarateMalatedehydrogenasePyruvatedehydrogenaseFumaraseC is-AconitateIsocitrateO xalosuccinateSuccinateFumarateMalateFADFADH2NADNADHCO2NADNADHCO2NADNADHH2OH2OH2ONADNADHCO2TCA循環(huán)總結(jié) 4NAD5步氧化還原 1FAD4步不可逆3步脫羧2步加水1步底物水平磷酸化(GDP)TCA中間產(chǎn)物處于不斷更新

34、之中,可參與合成其他物質(zhì)，而其他物質(zhì)也可不斷通過(guò)多種途徑而生成中間產(chǎn)物。5.5.2.2 草酰乙酸的回補(bǔ)反應(yīng)-酮戊二酸和草酰乙酸是Glu和Asp合成的碳架，琥珀 酰CoA是卟啉環(huán)合成的前體，檸檬酸轉(zhuǎn)運(yùn)至胞液后 裂解成乙酰CoA用于脂肪酸合成，均導(dǎo)致草酰乙酸 濃度下降而影響三羧酸循環(huán)的運(yùn)行。 通過(guò)Pyr的羧化、PEP的羧化、Asp轉(zhuǎn)氨、Glu轉(zhuǎn)氨等 回補(bǔ)反應(yīng)可維持草酰乙酸濃度，使TCA正常運(yùn)行。丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下形成草酰乙酸。草酰乙酸的回補(bǔ)主要途徑丙酮酸的羧化在動(dòng)植物和微生物中，還存在由蘋(píng)果酸酶和蘋(píng)果酸 脫氫酶聯(lián)合催化，由丙酮酸合成草酰乙酸。PEP在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶作用下形成草酰乙酸

35、。 反應(yīng)在胞液中進(jìn)行，生成的草酰乙酸需轉(zhuǎn)變成蘋(píng)果酸 后穿梭進(jìn)入線(xiàn)粒體，再脫氫生成草酰乙酸。 PEP的羧化天冬氨酸和谷氨酸轉(zhuǎn)氨作用Asp和Glu經(jīng)轉(zhuǎn)氨作用可形成草酰乙酸和-酮戊二酸。Ile、Val、Thr、Met 也可形成琥珀酰CoA。TCA中有 3次脫羧基反應(yīng)，通過(guò)脫羧作用生成CO2， 是機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生CO2的普遍規(guī)律。5.5.2.3 TCA中的化學(xué)計(jì)量和特點(diǎn) CO2的生成Pyr經(jīng)Pyr脫氫酶系催化, 釋放1CO2轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴oA， 乙酰CoA進(jìn)入TCA與草酰乙酸縮合成檸檬酸, 在TCA 中有2次脫羧, 生成 2CO2與進(jìn)入TCA的二碳乙?；?的碳原子數(shù)相等。 以CO2方式失去的碳并非來(lái)自乙?；?

36、而是來(lái)自草酰乙酸。1分子Pyr經(jīng)TCA脫氫形成4NADH和1FADH2，經(jīng) 氧化磷酸化分別能產(chǎn)生10個(gè)和1.5個(gè)共11.5個(gè)ATP， 加上TCA本身生成的1個(gè)GTP，共12.5個(gè)ATP。脫氫反應(yīng)TCA有5次脫氫, 4對(duì)H還原NAD生成 4NADH, 1對(duì)H 還原FAD生成1FADH2 , 它們經(jīng)線(xiàn)粒體內(nèi)遞氫體系 傳遞H ，最終與O2結(jié)合生成H2O，在此過(guò)程中釋放 能量使ADP和Pi 結(jié)合生成ATP (氧化磷酸化) 。1G 產(chǎn)生2Pyr，經(jīng) TCA 產(chǎn)生12.5225ATP， 這遠(yuǎn)多于EMP所產(chǎn)生的7ATP。5.5.3 三羧酸循環(huán)的調(diào)控4步不可逆反應(yīng)琥珀酰CoA合成 -酮戊二酸合成TCA只能向單

37、方向進(jìn)行，產(chǎn)物反饋抑制限速酶：4個(gè)限速酶檸檬酸合酶( 關(guān)鍵限速酶 )異檸檬酸脫氫酶-酮戊二酸脫氫酶 乙酰CoA合成檸檬酸合成 丙酮酸脫氫酶復(fù)合體TCA是機(jī)體產(chǎn)能的主要方式，ATP/ADP與NADH/NAD 兩者的比值是主要調(diào)節(jié)物。ATP/ADP比值升高，抑制檸檬酸合成酶和異檸檬酶 脫氫酶活性，反之ATP/ADP比值下降則可激活。NADH/NAD比值升高抑制檸檬酸合成酶和-酮戊二酸脫氫酶活性。此外，檸檬酸抑制檸檬酸合成酶活性，而琥珀酰CoA 抑制-酮戊二酸脫氫酶活性。組織中代謝產(chǎn)物決定循環(huán)反應(yīng)的速度，以便調(diào)節(jié)機(jī)體ATP和NADH濃度，保證機(jī)體能量供給。TCA是生物體產(chǎn)能最有效的方式。1分子G經(jīng)無(wú)

38、氧酵解 凈生成2個(gè)ATP,經(jīng)TCA徹底氧化分解共生成32個(gè)ATP。不但釋能效率高，且逐步釋能并逐步儲(chǔ)存于ATP中。5.5.4 TCA的生理意義 TCA是機(jī)體獲取能量的主要方式。 TCA是物質(zhì)代謝的樞紐。TCA是糖、脂肪、蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)徹底氧化分解的 共同途徑,同時(shí)也是幾大類(lèi)物質(zhì)相互轉(zhuǎn)變的中心環(huán)節(jié), 因此具有代謝的樞紐作用。TCA的一些中間產(chǎn)物也是某些植物的貯藏物質(zhì)。檸檬酸、蘋(píng)果酸等既是生物氧化基質(zhì)，又是積累物質(zhì)。在組織勻漿中加入碘乙酸或氟化物等EMP的抑制劑，仍有一定量的G被氧化成H2O和CO2，同位素標(biāo)記表明，G的氧化首先發(fā)生在C1位，不同于EMP。5.6 磷酸戊糖途徑 PPP /HMS

39、1955年Racker和Gunsalus等發(fā)現(xiàn)了磷酸戊糖途徑 (pentose phosphate pathway，PPP), 又稱(chēng)已糖 單磷酸支路(hexose monophosphate shut, HMS)。磷酸戊糖途徑是有O2條件下，在細(xì)胞質(zhì)中將葡萄糖 直接氧化分解為CO2的過(guò)程。G6P在G6P脫氫酶催化下生成6-磷酸葡萄糖酸內(nèi)酯。葡萄糖的直接氧化階段非氧化的分子重組合階段5.6.1 生化歷程PPP5.6.1 葡萄糖的氧化脫羧階段脫氫反應(yīng)在6-磷酸葡萄糖酸內(nèi)酯酶催化下,6-磷酸葡萄糖酸內(nèi)酯 水解為6-磷酸葡萄糖酸。水解反應(yīng)在6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶催化下, 6-磷酸葡萄糖酸 經(jīng)氧化脫羧生

40、成5-磷酸核酮糖、NADPH和CO2。脫氫脫羧反應(yīng)5-磷酸核酮糖(Ru5P)異構(gòu)化為5-磷酸核糖(R5P)；5-磷酸核酮糖差向異構(gòu)化為5-磷酸木酮糖(Xu5P)。5.6.1.2 非氧化的分子重組合階段異構(gòu)化反應(yīng)轉(zhuǎn)酮醇酶催化磷酸酮糖上2C單位羥乙?；D(zhuǎn)移到 磷酸醛糖的C1上，形成3-磷酸甘油醛(GAP) 和7-磷酸景天庚酮糖(S7P)。轉(zhuǎn)酮醇酶轉(zhuǎn)移1個(gè)2C單位。轉(zhuǎn)酮醇反應(yīng)轉(zhuǎn)醛醇酶催化7-磷酸景天庚酮糖上的二羥基丙酮基團(tuán) 轉(zhuǎn)移給3-磷酸甘油醛, 生成4-磷酸赤蘚糖(E4P)和F6P。 轉(zhuǎn)醛醇酶轉(zhuǎn)移1個(gè)3C單位。轉(zhuǎn)醛醇反應(yīng)五碳糖和四碳糖經(jīng)轉(zhuǎn)酮醇酶作用轉(zhuǎn)移二碳單位，形成三碳糖和六碳糖。 5 + 4 = 3 + 6轉(zhuǎn)酮醇反應(yīng)F6P經(jīng)異構(gòu)化形成 G6P。異構(gòu)化反應(yīng) 從 6G6P開(kāi)始，經(jīng)兩次脫氫氧化及脫羧后，放出 6CO