復(fù)旦大學(xué)生物化學(xué)代謝部分課件-糖代謝3

1、糖的有氧氧化(Aerobic Oxidation) 葡萄糖或糖原在有氧條件下通過與糖酵解相同的途徑分解為丙酮酸，進而徹底氧化成二氧化碳和水，并產(chǎn)生大量ATP的過程。 反應(yīng)部位 胞液和線粒體 生理意義1. 一般狀況下人體大多數(shù)組織獲能的主要方式，1 Glc38 ATP；2. 是三大類能量物質(zhì)共同的分解代謝途徑；3. 糖有氧氧化的三羧酸循環(huán)不僅僅是糖、脂肪和氨基酸在體內(nèi)氧化功能的共同通路，也是它們的互變樞扭。糖原或葡萄糖丙酮酸丙酮酸乙酰CoA三羧酸循環(huán)CO2+H2O+ATP有氧氧化(胞液)(線粒體)乳酸糖酵解 糖的有氧氧化概況三羧酸循環(huán)Tricarboxylic Acid Cycle-TCA循環(huán)

2、有氧條件下大多數(shù)生物共有的物質(zhì)分解代謝途徑。Thunberg(1920), H. Krebs(1932), Albert Szent-Gyrgyi (1935)發(fā)現(xiàn)代謝現(xiàn)象，Carl Martins(1937)和Frank Knoop闡明了從檸檬酸到琥珀酸的氧化途徑。Krebs (1937)證實了代謝過程，并提出環(huán)狀氧化途徑概念。后來發(fā)現(xiàn)這一途徑在動物、植物和微生物中普遍存在，不僅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。Krebs (1953)獲得了諾貝爾獎，并被稱為ATP循環(huán)之父，這一途徑又被稱為Krebs循環(huán)或檸檬酸循環(huán)。Hans Krebs創(chuàng)立了

3、“TCA循環(huán)”學(xué)說1937年，Hans Krebs利用鴿子胸肌的組織懸液，測定了在不同的有機酸作用下，丙酮酸氧化過程中的耗氧率，首次提出在動物組織中丙酮酸氧化途徑的假說。肌肉組織中某些4碳二羧酸（琥珀酸、延胡索酸、蘋果酸和草酰乙酸）能刺激氧的消耗。丙二酸對丙酮酸有氧氧化的抑制作用。循環(huán)中酶的研究證實并闡明了該循環(huán)的細節(jié)。Hans Adolf Krebs（1990-1981,Germany). Krebs researches mainly concerned with various aspects of intermediary metabolism. Among the subjects

4、he has studied are the synthesis of urea in the mammalian liver, the synthesis of uric acid and purine bases in birds, the intermediary stages of the oxidation of foodstuffs, the mechanism of the active transport of electrolytes and the relations between cell respiration and the generation of adenos

5、ine polyphosphates.文章被拒也許是科學(xué)家常遭遇的事情，很常見，諾獎得主的文章遭據(jù)你聽過嗎?近期The Scientist就爆出一件秘辛，1953年諾獎得主Hans Krebs在1937年曾向Nature投稿遭拒。1988年，當(dāng)Krebs已經(jīng)辭世7年，Nature雜志匿名編輯在一篇公開信上指出，拒絕Krebs的文章是Nature雜志有史以來所犯的最大錯誤。 三羧酸循環(huán)發(fā)現(xiàn)的大事記1911-1920 T. Thunberg 等 肌肉組織可氧化檸檬酸、琥珀酸、 延胡索酸和蘋果酸等。1935 Albert, Szent 4C的二羧酸（琥珀酸、延胡索酸、 -Gyorgyi 蘋果酸和草酰

6、乙酸等)能促進肌氧耗 量;并確立琥珀酸經(jīng)延胡索酸和蘋 果酸轉(zhuǎn)變成草酰乙酸。 Wagner-Janregy等 異檸檬酸是檸檬酸的氧化產(chǎn)物。1936 Green等 豬心肌中提得蘋果酸脫氫酶。1937 Martius, F.Knoop等 證明檸檬酸經(jīng)順烏頭酸異構(gòu)化為異 檸檬酸，進一步氧化成-酮戊二酸。1937 Hans Krebs 證明檸檬酸來自乙酰CoA和草酰乙 酸的縮合。 檸檬酸循環(huán)是“燃料”物質(zhì)氧化分解的中心途徑丙酮酸生成乙酰CoA丙酮酸脫氫酶復(fù)合物Pyruvate dehydrogenase complex 丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA的反應(yīng)由丙酮酸脫氫酶復(fù)合物催化完成，反應(yīng)發(fā)生于真核生物的

7、線粒體中，是連接糖酵解與三羧酸循環(huán)的中心環(huán)節(jié)。酶復(fù)合物是一個多酶體系，由三種酶蛋白和六種輔助因子組成，分別是丙酮酸脫氫羧酶E1、二氫硫辛酸(酰胺）轉(zhuǎn)乙酰酶E2和二氫硫辛酸（酰胺）脫氫酶E3。輔助因子包括 TPP、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA和Mg2+。Pyruvate dHE Complex丙酮酸脫氫酶復(fù)合物催化丙酮酸氧化脫羧Mg2+反應(yīng)不可逆輔酶ACoenzyme A,CoA硫辛酸、二氫硫辛酸轉(zhuǎn)乙酰酶以酰胺鍵相連Py dHE復(fù)合物催化5步反應(yīng)1) Py脫羧生成羥乙基-TPP；2) 二氫硫辛酸轉(zhuǎn)乙酰酶催化羥乙基TPP氧化為乙酰基，并轉(zhuǎn)移給硫辛酰胺形成乙酰硫辛酰胺；3) 二氫硫辛酸轉(zhuǎn)乙酰酶催

8、化乙酰硫辛酰胺上的乙酰基轉(zhuǎn)移給CoA生成乙酰CoA；4) 二氫硫辛酸dHE催化還原的硫辛酸再氧化，并將氫交給FAD生成FADH2-E；5) FADH2使NAD+還原。 Py dHE催化的反應(yīng)丙酮酸脫氫酶復(fù)合物催化丙酮酸氧化脫羧Py dHE復(fù)合物的調(diào)節(jié) I PyCH3COSCoA是一個重要的反應(yīng)步驟，處于代謝的分支點，受到嚴密的調(diào)節(jié)作用：1)產(chǎn)物抑制 acetyl CoA和NADH都抑制Py dHE復(fù)合物(分別抑制E2和E3)，抑制作用可以被相應(yīng)的反應(yīng)物CoA及NAD+所逆轉(zhuǎn)。2)核苷酸反饋調(diào)節(jié) 整個酶體系的活性由細胞的能荷水平所調(diào)控，體系受GTP(ATP)抑制(抑制E1)，為AMP所活化。Py

9、 dHE復(fù)合物的調(diào)節(jié) II 3)可逆磷酸化作用的共價調(diào)節(jié)（covalent regulation），ATP存在時，Py脫氫酶(E1）酶分子上的Ser-OH被蛋白激酶催化磷酸化而失去活性，一旦磷酸基團被磷酸酯酶催化水解去磷酸化可恢復(fù)活性。 細胞內(nèi)ATP/ADP、AcetylCoA/CoA、NADH/NAD+高時，磷酸化作用加強；Ca2+促進去磷酸化作用，insulin也可刺激去磷酸化作用。 Py dHE復(fù)合物的調(diào)節(jié) III砷化物與E2中的輔基硫辛酰胺形成無催化能力的砷化物。Ca2+激活：Ca2+通過激活磷酸酶的作用，使丙酮酸脫氫酶活化。 丙酮酸脫氫酶復(fù)合物的調(diào)節(jié)葡萄糖代謝的調(diào)節(jié)檸檬酸三羧酸循環(huán)

10、Citric Acid Cycle Tricarboxylic Acid Cycle (TCA), Krebs Cycle 乙酰CoA經(jīng)一系列（8或9步反應(yīng)）的氧化、脫羧，最終生成CO2、還原電子和部分能量的過程。乙酰CoA與草酰乙酸縮合生成檸檬酸，再經(jīng)一系列的氧化、脫羧，循環(huán)后再生草酰乙酸，其中生成2CO2, 3NADH+H+, 1GTPATP, 1FADH2。 TCA循環(huán)的酶、底物和產(chǎn)物(1)_C2C6C4C4C5NADH+H+CO2NADH+H+CO2GTPFADH2NADH+H+TCA示意圖檸檬酸合(成)酶 (Citrate Synthase) EC4.1.3.7，線粒體基質(zhì)，為縮合酶

11、，催化TCA的第一步反應(yīng)，先生成檸檬酰CoA，再水解為檸檬酸，放能反應(yīng)、不可逆，是TCA的一個調(diào)節(jié)酶，活性受ATP、NADH、Succinyl CoA及長鏈脂酰CoA的抑制，對于TCA是一個rate-limitting step。檸檬酸合成酶空的酶構(gòu)象結(jié)合草酰乙酸的構(gòu)象草酰乙酸CoA烏頭酸酶作用于檸檬酸生成異檸檬酸致死合成（Lethal synthesis)氟乙酰CoA (氟乙酸、氟乙酸鈉、氟乙酰胺）在酶的作用下與草酰乙酸生成氟檸檬酸，順烏頭酸酶只識別檸檬酸，對氟檸檬酸沒有作用，致使TCA中斷，這種由外來底物經(jīng)生物體合成代謝為一類對生物體有毒性或可以致死產(chǎn)物的合成為致死合成(lethal sy

12、nthesis)。在代謝研究的應(yīng)用上，被廣泛用于殺蟲劑或滅鼠藥的生產(chǎn)。 氟檸檬酸氟檸檬酸的致死機制異檸檬酸dHE TCA的第一次氧化脫羧，產(chǎn)物為-酮戊二酸。細胞內(nèi)有兩種異檸檬酸dHE，線粒體中以NAD+為氫受體；另一種以NADP+為氫受體（胞質(zhì)及線粒體中都有存在），前者為Mg2+及Mn2+所活化，是別構(gòu)酶，正調(diào)控物是ADP，缺乏ADP時沒有活力，ATP及NADH對酶有抑制作用。異檸檬酸氧化脫羧生成-酮戊二酸-酮戊二酸dHE Complex 與Py dHE復(fù)合物的組成及作用相似，包括三個酶組分: 1）-酮戊二酸 dHE(E1) 2）琥珀酰轉(zhuǎn)移酶(E2) 3）二氫硫辛酸dHE(E3) 還有六種輔助

13、因子：TPP、CoA、 FAD、 NAD+、Lipoic acid (Lipoamide)及Mg2+。 是調(diào)節(jié)酶，受產(chǎn)物NADH、succinyl CoA和Ca2+抑制；ATP、 GTP對酶有反饋抑制；不受可逆磷酸化的共價調(diào)節(jié)。 -酮戊二酸氧化脫羧氧化釋放的能量貯存于硫酯鍵中TCA的底物水平磷酸化 琥珀酰CoA轉(zhuǎn)變?yōu)殓晁?，產(chǎn)生1 GTP (ATP)，由琥珀酰CoA合成酶（琥珀酸硫激酶）催化。TCA的底物水平磷酸化（也稱琥珀酸硫激酶）琥珀酰CoA合成酶催化的反應(yīng)-亞基-亞基琥珀酸脫氫酶(Succinate dHE) 催化琥珀酸脫氫生成延胡索酸，H受體是FAD。琥珀酸dHE是真核生物TCA中唯一

14、一個摻入線粒體內(nèi)膜的酶原核生物參入質(zhì)膜，直接與呼吸鏈相連。 產(chǎn)物延胡索酸（反丁烯二酸），順丁烯二酸（馬來酸，maleic acid）不能參加代謝，對機體有毒。 丙二酸(malonate)是酶的競爭性抑制劑。 琥珀酸脫氫生成延胡索酸蘋果酸氧化再生草酰乙酸TCA循環(huán)反應(yīng)TCA小結(jié) 循環(huán)從C4物與乙酰CoA縮合生成C6物開始；每一次循環(huán)經(jīng)歷兩次脫羧，放出2 CO2;每一循環(huán)經(jīng)歷四次脫氫，其中3次以NAD+為氫受體，1次以FAD為氫受體；每循環(huán)一次，底物水平磷酸化一次生成1 GTP (ATP)。TCA小結(jié)（續(xù)）循環(huán)一次結(jié)束以C4物（草酰乙酸）重新生成為標(biāo)志?？偡磻?yīng)： Acetyl CoA + 2H2O

15、 + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi 2 CO2 + 3 ( NADH + H+ ) + FADH2 + GTP + CoASH TCA循環(huán)小結(jié)圖葡萄糖分解的能量代謝 Glucose（胞液） -2 ATP + 4 ATP, + 2 (NADH+H+)（經(jīng) 穿梭系統(tǒng)進入線粒體） Py（線粒體） + 2 (NADH + H+ + 2 CO2 TCA + 2 2 CO2 + 3 (NADH + H+ ) + FADH2 + GTP 氧化磷酸化，36 or 38 ATPTCA各步反應(yīng)表葡萄糖 + 2 ADP + 2 Pi 2 乳酸（ 2 乙醇+ 2 CO2 ） + 2 ATP糖的無氧氧化

16、能量利用率：葡萄糖徹底氧化-2870.22 kJ/mol，利用60.1 kJ/mol (30.52)利用率2.1%葡萄糖 + 10 NAD+ + 2 ADP + 2 GDP + 4 Pi + 2 FAD 6 CO2 + 6 H2O + 10 NADH + 10 H+ + 2ATP + 2GTP + 2FADH2糖的有氧氧化葡萄糖糖 酵 解三 羧 酸 循 環(huán)丙酮酸乙酰CoA 丙 酮 酸 脫 氫 酶系2ATP2NADH2NADH2GTP6NADH2FADH268ATP6ATP24ATP3638ATP能量利用率：葡萄糖徹底氧化-2870.22 kJ/mol，38個ATP 貯存1159.0 kJ/mo

17、l (30.538)。能量利用率40.4 %三羧循環(huán)的生物學(xué)意義 是生命有機體獲得生命活動所需能量的主要分解代謝途徑； 是糖、脂、蛋白質(zhì)等物質(zhì)代謝和轉(zhuǎn)化的中心樞紐； 為生物體的生物合成提供多種重要的中間產(chǎn)物。TCA及其功能TCA作為兩用代謝途徑TCA中間物 用于生物合成的前體TCA循環(huán)在合成代謝中的作用回(添)補反應(yīng)Anaplerotic Reactions(1)動物肝臟和腎臟的線粒體中，丙酮酸羧化酶催化 OCCOOH CH3COCOOH+CO2+ATP+H2O CH2COOH +ADP+Pi Mg2+,biotin (2) 植物、細菌等，PEP羧化酶催化 CH2CCOOH + H2O+ CO

18、2 O=CCOOH +Pi | OP CH2COOHPyruvate CarboxylasePEP Carboxylase回(添)補反應(yīng)(3) 心臟、骨骼肌中，PEP羧激酶催化 PEP + CO2 + GDP oxaloacetate + GTP(4)原核、真核中廣泛存在的蘋果酸酶催化 CH3COCOOH+CO2+NADPH+H+ Malate +NADP+ (5) Asp和Glu轉(zhuǎn)氨形成草酰乙酸和-酮戊二酸；Ile,Val,Thr及Met形成琥珀酰CoA，實現(xiàn)添補。 PEP CarboxykinaseMalic Enzyme回補反應(yīng)總表乙醛酸循環(huán)(Glyoxylate Cycle) 微生物和植物可以在產(chǎn)乙酸或產(chǎn)生acetyl CoA的化合物中生長，因為它