復旦大學生化-糖代謝4課件

糖代謝

(CarbohydrateMetabolism)糖的消化吸收糖的分解代謝血糖及其調節(jié)糖元的合成與分解糖元異生糖代謝紊亂

糖酵解EMP糖酵解：一分子葡萄糖通過一系列的酶促反應生成2分子丙酮酸，并生成ATP和NADH的過程。六碳糖分解為2分子丙酮酸需經10步反應：前5步反應為第一階段/準備階段(preparatoryphase)，1Glc轉變?yōu)?三碳物：磷酸二羥丙酮和3-磷酸甘油醛，消耗2ATP。

第二階段是能量獲得（代償）階段（payoffphase)，3-磷酸甘油醛轉變?yōu)楸?，生?ATP和2NADH+H+。

葡萄糖6-磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖糖原6-磷酸果糖1,6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮1,3-二磷酸甘油酸×2磷酸烯醇式丙酮酸×2烯醇式丙酮酸×2丙酮酸×2乳酸×2(胞液)己糖激酶磷酸果糖激酶3-磷酸甘油酸×22-磷酸甘油酸×22ADP2ATP丙酮酸激酶NAD+NADH+H+NADH+H+ADPATPADPATP脫氫酶2ATP2ADP糖酵解NADH+H+NAD+EMP生理意義1)迅速提供能量，尤其對肌肉收縮。

2）機體缺氧或肌肉局部血流不暢時的供能。

3）為強制性酵解組織供能。紅細胞因為沒有線粒體，能量幾乎全部由糖酵解提供。神經細胞、白細胞、骨髓等代謝極為活躍，耗能多，即使不缺氧也常由EMP提供部分能量。對于眼角膜，由于血液循環(huán)差，可利用的氧有限，需要EMP提供所需的能量。糖的有氧氧化

(AerobicOxidation)

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，并產生大量ATP的過程。反應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，1Glc38ATP；2.是三大類能量物質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)

[TricarboxylicAcidCycle-TCA循環(huán)]

有氧條件下大多數(shù)生物共有的物質分解代謝途徑。Thunberg(1920),H.

Krebs(1932),AlbertSzent-Gy?rgyi

(1935)發(fā)現(xiàn)代謝現(xiàn)象，CarlMartins(1937)和FrankKnoop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)。HansAdolfKrebs（1990-1981,Germany).Krebs'researchesmainlyconcernedwithvariousaspectsofintermediarymetabolism.Amongthesubjectshehasstudiedarethesynthesisofureainthemammalianliver,thesynthesisofuricacidandpurinebasesinbirds,theintermediarystagesoftheoxidationoffoodstuffs,themechanismoftheactivetransportofelectrolytesandtherelationsbetweencellrespirationandthegenerationofadenosinepolyphosphates.文章被拒也許是科學家常遭遇的事情，很常見，諾獎得主的文章遭據(jù)你聽過嗎?近期TheScientist就爆出一件秘辛，1953年諾獎得主HansKrebs在1937年曾向Nature投稿遭拒。1988年，當Krebs已經辭世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。檸檬酸循環(huán)是“燃料”物質氧化分解的中心途徑丙酮酸脫氫酶復合物

Pyruvatedehydrogenasecomplex

丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA的反應由丙酮酸脫氫酶復合物催化完成，反應發(fā)生于真核生物的線粒體中，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）轉乙酰酶[E2]和二氫硫辛酸（酰胺）脫氫酶[E3]。輔助因子包括硫胺素焦磷酸[TPP]、硫辛酰胺、FAD、NAD+、CoA和Mg2+。PyruvatedHEComplex丙酮酸脫氫酶二氫硫辛酸轉乙酰酶二氫硫辛酸脫氫酶硫胺素焦磷酸硫辛酰胺PydHE復合物催化5步反應1)

Py脫羧生成羥乙基-TPP；2)

二氫硫辛酸轉乙酰酶催化羥乙基TPP氧化為乙?；⑥D移給硫辛酰胺形成乙酰硫辛酰胺；3)二氫硫辛酸轉乙酰酶催化乙酰硫辛酰胺上的乙?；D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。

丙酮酸脫氫酶復合物催化丙酮酸氧化脫羧丙酮酸脫氫酶復合物

催化丙酮酸氧化脫羧Mg2+反應不可逆輔酶A[CoenzymeA,CoA]活性乙酸PydHE復合物的調節(jié)II

3)可逆磷酸化作用的共價調節(jié)（covalentregulation），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]可恢復活性。

細胞內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。

PydHE復合物的調節(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。檸檬酸[三羧酸]循環(huán)

CitricAcidCycle[Tricarboxylic

Acid

Cycle(TCA),KrebsCycle]

乙酰CoA經一系列（8步反應）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，再經一系列的氧化、脫羧，循環(huán)后再生草酰乙酸，其中生成2CO2,3[NADH+H+],1GTP[ATP],1FADH2。

TCA循環(huán)的底物和產物(1)______________________C2C6C4C4C5NADH+H+CO2NADH+H+CO2GTPFADH2NADH+H+TCA示意圖檸檬酸合成酶空的酶構象結合草酰乙酸的構象草酰乙酸CoA烏頭酸酶作用于檸檬酸

生成異檸檬酸氟檸檬酸致死合成（Lethalsynthesis)

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，這種由外來底物經生物體合成代謝為一類對生物體有毒性或可以致死產物的合成為致死合成(lethalsynthesis)。在代謝研究的應用上，被廣泛用于殺蟲劑或滅鼠藥的生產。

異檸檬酸氧化脫羧生成-酮戊二酸

TCA的第一次氧化脫羧，產物為-酮戊二酸。細胞內有兩種異檸檬酸dHE，線粒體中只以NAD+為氫受體；另一種以NADP+為氫受體（胞質及線粒體中都有存在），前者為Mg2+及Mn2+所活化，是別構酶，正調控物是ADP，缺乏ADP時沒有活力，ATP及NADH對酶有抑制作用。羥酸酮酸-裂解?-酮戊二酸氧化脫羧氧化釋放的能量貯存于硫酯鍵中-酮戊二酸dHE

Complex

與PydHE復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）琥珀酰轉移酶(E2’)3）二氫硫辛酸dHE(E3’)

還有六種輔助因子：TPP、CoA、FAD、NAD+、Lipoicacid(Lipoamide)及Mg2+。是調節(jié)酶，受產物NADH、succinylCoA和Ca2+抑制；ATP、GTP對酶有反饋抑制；不受可逆磷酸化的共價調節(jié)。

琥珀酰CoA轉變?yōu)殓晁徵牾oA合成酶（也稱琥珀酸硫激酶）

琥珀酰CoA轉變?yōu)殓晁幔a生1GTP(ATP)，由琥珀酰CoA合成酶催化。反應循環(huán)至此，碳原子數(shù)恢復4個。在隨后的4步反應中，琥珀?；晦D換回草酰乙酸。TCA的底物水平磷酸化

琥珀酰CoA轉變?yōu)殓晁幔a生1GTP(ATP)，由琥珀酰CoA合成酶（琥珀酸硫激酶）催化。琥珀酸脫氫生成延胡索酸丙二酸琥珀酸脫氫酶(SuccinatedHE)

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中唯一一個摻入線粒體內膜的酶[原核生物參入質膜]，直接與呼吸鏈相連。產物延胡索酸（反丁烯二酸），順丁烯二酸（馬來酸，maleicacid）不能參加代謝，對機體有毒。丙二酸(malonate)是酶的競爭性抑制劑。延胡索酸水化生成L-蘋果酸

L-蘋果酸脫氫再生草酰乙酸

延胡索酸

H2O

蘋果酸

延胡索酸酶(延胡索酸水化酶)

TCA循環(huán)反應TCA流程圖TCA各步反應表TCA小結

循環(huán)從C4物與乙酰CoA縮合生成C6物開始；每一次循環(huán)經歷兩次脫羧，放出2CO2;每一循環(huán)經歷四次脫氫，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1GTP(ATP)。TCA小結（續(xù)）循環(huán)一次結束以C4物（草酰乙酸）重新生成為標志。總反應：

AcetylCoA+2H2O+3NAD++FAD+GDP+Pi

2CO2+3(NADH+H+)+FADH2+GTP+CoA-SH

葡萄糖分解的能量代謝

Glucose（胞液）

-2ATP

+4ATP,+2(NADH+H+)

（經穿梭系統(tǒng)進入線粒體）

2Py（線粒體）

+2(NADH+H++2CO2）TCA

+2[2CO2+3(NADH+H+)

+FADH2+GTP]

氧化磷酸化，36or38ATP葡萄糖+2ADP+2Pi→2乳酸（2乙醇+2CO2

）+2ATP糖的無氧氧化能量利用率：葡萄糖徹底氧化-2870.22kJ/mol，利用60.1kJ/mol(30.5×2)利用率2.1%葡萄糖+10NAD++2ADP+2GDP+4Pi+2FAD→6CO2+6H2O+10NADH+10H++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2ATP2NADH2NADH2GTP6NADH2FADH26~8ATP6ATP24ATP36~38ATP能量利用率：葡萄糖徹底氧化-2870.22kJ/mol，38個ATP貯存1159.0kJ/mol(30.5×38)。能量利用率40.4%三羧循環(huán)的生物學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、蛋白質等物質代謝和轉化的中心樞紐；為生物體的生物合成提供多種重要的中間產物。TCA及其功能TCA作為兩用代謝途徑卟啉TCA循環(huán)在合成

代謝中的作用厭氧細菌不完整TCA

用于生物合成的前體回補反應(anapleroticreaction)：

酶催化的，補充檸檬酸循環(huán)中間代謝物供給的反應。

回補反應含義：

TCA循環(huán)中某些中間產物是合成許多重要有機物的前體。例如草酰乙酸和α酮戊二酸分別是天冬氨酸和谷氨酸合成的碳架，延胡索酸是苯丙氨酸和酪氨酸合成的前體，琥珀酰CoA是卟啉環(huán)合成的碳架。如果TCA循環(huán)的中間產物大量消耗于有機物的合成，就會影響TCA循環(huán)的正常運行，因此必須有其他的途徑不斷地補充，以保證TCA循環(huán)運轉?；?添)補反應(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+H2OCH2COOH+ADP+Pi

Mg2+,biotin

(2)

植物、細菌等，PEP羧化酶催化

CH2CCOOH+H2O+CO2

O=CCOOH+Pi|

O~PCH2COOHPyruvateCarboxylasePEPCarboxylase回(添)補反應(3)

心臟、骨骼肌中，PEP羧激酶催化

PEP+CO2+GDPoxaloacetate+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。PEPCarboxykinase(體外!)MalicEnzyme回補反應總表乙醛酸循環(huán)(GlyoxylateCycle)

微生物和植物可以在產乙酸或產生acetylCoA的化合物中生長，因為它們存在兩種酶：異檸檬酸裂解酶（isocitratelyase）和蘋果酸合成酶（malatesynthetase），這樣可使TCA循環(huán)中的異檸檬酸不經脫羧而被酶裂解為琥珀酸和乙醛酸，乙醛酸與另一分子acetylCoA在蘋果酸合成酶作用下縮合形成蘋果酸。意義：連接糖與脂的相互轉變；協(xié)同TCA，造成C4的贏余，實現(xiàn)回補或生糖。乙醛酸(Glyoxylate)循環(huán)TCAATP乙醛酸循環(huán)和TCA循環(huán)的關系異檸檬酸脫氫酶活性的調節(jié)決定異檸檬酸向乙醛酸循環(huán)還是TCA循環(huán)TCA的調節(jié)1.底物的有效性2.產物的反饋抑制3.變構反饋抑制TCA循環(huán)的調節(jié)1.NAD+/NADH2.產物3.Ca2+葡萄糖代謝的調節(jié),2,6二磷酸果糖,1,6二磷酸果糖Ala,Ca++糖代謝調節(jié)1糖代謝調節(jié)2葡萄糖的主要代謝命運戊糖磷酸途徑(PPP）PentosePhosphatePathway己糖單磷酸途徑(HMP)HexoseMonophosphatePathway己糖單磷酸支路(HexoseMonophosphateshunt)戊糖(磷酸)支路(pentosephosphateshunt)磷酸己糖旁路(Phosphohexosebypass)磷酸葡萄糖酸途徑(phosphogluconatepathway)戊糖磷酸途徑(PPP）Racker(1954)、Gunsalus(1955)發(fā)現(xiàn)，組織中添加酵解抑制劑，Glc仍可被消耗，即Glc還有其他的代謝支路。整個途徑分為兩個階段:

氧化階段：Glc經脫氫、脫羧變?yōu)榱姿嵛焯?/p>

非氧化階段：戊糖經幾種不同碳數(shù)的糖的轉化，最終重新合成己糖。兩個關鍵酶催化其中的反應，即轉羥乙醛基[轉酮]酶[transketolase]和轉二羥丙酮基[轉醛]酶[transaldolase]。戊糖磷酸途徑二個階段的反應式：(1)3×6-磷酸葡萄糖

+6NADP+

3×

5-磷酸核糖+6(NADPH+H+)+3CO2(2)3×5-磷酸核糖

2×6-磷酸果糖3×6-磷酸葡萄糖

+6NADP+

2×

6-磷酸果糖+6（NADPH+H+)+3CO2

6-磷酸葡萄糖脫氫酶(G-6-PD)戊糖磷酸途徑：糖酵解途徑3×6-磷酸葡萄糖5-磷酸核糖5-磷酸木酮糖7-磷酸景天糖3-磷酸甘油醛3-磷酸甘油醛5-磷酸木酮糖4-磷酸赤蘚糖6-磷酸果糖6-磷酸果糖3×6-磷酸葡萄糖酸內酯3NADPH3×6-磷酸葡萄糖酸3H2O3×5-磷酸核酮糖3NADPH3CO2葡萄糖戊糖磷酸途徑特點：反應部位：反應底物：重要反應產物：限速酶：胞漿6-磷酸葡萄糖NADPH、5-磷酸核糖6-磷酸葡萄糖脫氫酶(G-6-PD)戊糖磷酸支路的

氧化反應5-P-核酮糖生成5-P-核糖p-木酮糖HMP的兩個關鍵酶轉酮酶或轉羥乙醛基酶轉醛酶或轉二羥丙酮基酶轉醛酶的作用轉酮酶的作用戊糖磷酸支路的非氧化反應HMP的碳數(shù)變化戊糖磷酸支路的

碳架轉變

HMP途徑的調節(jié)

1）最重要的調節(jié)酶是6-磷酸葡萄