第8章-糖代謝途徑

第8章

糖代謝途徑

一、糖酵解概述二、糖酵解的全部反應(yīng)三、NADH和丙酮酸的命運(yùn)四、其他物質(zhì)進(jìn)入糖酵解五、糖酵解的生理功能六、糖酵解的調(diào)節(jié)糖酵解提綱糖酵解概述發(fā)生在所有的活細(xì)胞位于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)

共有十步反應(yīng)組成——在所有的細(xì)胞都相同，但速率不一定相同。兩個(gè)階段：

第一個(gè)階段——準(zhǔn)備階段或引發(fā)階段:葡萄糖→F-1,6-2P（1,6-2磷酸果糖）→2G-3-P（3-磷酸甘油醛）第二個(gè)階段——獲利階段：產(chǎn)生2丙酮酸+2ATP丙酮酸的三種命運(yùn)糖酵解的兩階段反應(yīng)能量投資階段葡萄糖

(6C)

3-磷酸甘油醛

(2-3C)(G3P或GAP)2ATP-消化0ATP-產(chǎn)生0NADH-產(chǎn)生2ATP2ADP+PC-C-C-C-C-CC-C-CC-C-C能量收獲階段

3-磷酸甘油醛

(2-3C)(G3P或GAP)

丙酮酸

(2-3C)

(PYR)0ATP-消耗4ATP-產(chǎn)生2NADH-產(chǎn)生4ATP4ADP+PC-C-CC-C-CC-C-CC-C-CGAPGAP

(PYR)(PYR)一步氧化二部產(chǎn)能反應(yīng)糖酵解的全部反應(yīng)休要驚慌!你所要記憶的是總反應(yīng)、三步限速步驟、三種特異性抑制劑、兩步底物磷酸化反應(yīng)和主要的調(diào)控機(jī)制。

你不需要記住任何代謝物的結(jié)構(gòu)式反應(yīng)1：葡萄糖的磷酸化第一步不可逆反應(yīng)由己糖激酶或葡萄糖激酶催化引發(fā)反應(yīng)——ATP被消耗，以便后面得到更多的ATPATP的消耗使葡萄糖的磷酸化能自發(fā)地進(jìn)行葡萄糖的磷酸化至少有三個(gè)意義：一有利于胞外的葡萄糖通過(guò)GLUT（葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）進(jìn)入胞內(nèi)；二帶上負(fù)電荷葡萄糖很難再?gòu)募?xì)胞中“逃逸”出去；三是葡萄糖由此變得不穩(wěn)定，有利于它在細(xì)胞內(nèi)的進(jìn)一步代謝。葡萄糖的磷酸化己糖激酶和葡萄糖激酶的比較親和力低葡萄糖在細(xì)胞內(nèi)磷酸化以后不能再離開(kāi)細(xì)胞反應(yīng)2:磷酸葡糖的異構(gòu)化6-磷酸葡糖轉(zhuǎn)變成6-磷酸果糖由磷酸己糖異構(gòu)酶催化這是一步異構(gòu)化反應(yīng)，反應(yīng)的機(jī)制牽涉到不穩(wěn)定的烯二醇中間體。通過(guò)此反應(yīng)，酮基從1號(hào)位變到2號(hào)，這既為下一步磷酸化反應(yīng)創(chuàng)造了條件，也有利于后面由醛縮酶催化的C3和C4之間的斷裂。2-脫氧6-磷酸葡糖也能夠與此酶的活性中心結(jié)合，但由于不能形成烯二醇中間物，所以無(wú)法完成反應(yīng)，反而因?yàn)檎紦?jù)活性中心而抑制酶的活性。已發(fā)現(xiàn)磷酸己糖異構(gòu)酶是一種兼職蛋白，除了參與糖酵解，它還是一種神經(jīng)生長(zhǎng)因子。磷酸葡糖的異構(gòu)化酮基從1號(hào)位變到2號(hào)反應(yīng)3:磷酸果糖的磷酸化是糖酵解最重要的限速步驟!

是第二步不可逆反應(yīng)由磷酸果糖激酶-1（PFK-1）催化糖酵解的第二次引發(fā)反應(yīng)有大的自由能降低，受到高度的調(diào)控反應(yīng)4:1,6-二磷酸果糖的裂解C6

被切成2C3

由醛縮酶催化有兩類醛縮酶，第一類來(lái)源于動(dòng)物，為共價(jià)催化，在反應(yīng)中，底物與活性中心的賴氨酸殘基形成共價(jià)的Schiff堿中間物；第二類主要來(lái)源于其他生物，其活性中心含有Zn2＋，為金屬催化。第一類醛縮酶第二類醛縮酶醛縮酶的催化機(jī)制反應(yīng)5:磷酸丙糖的異構(gòu)化磷酸二羥丙酮轉(zhuǎn)變成3-磷酸甘油醛磷酸丙糖異構(gòu)酶（TIM）反應(yīng)機(jī)制涉及烯二醇中間體TIM防止副反應(yīng)發(fā)生的機(jī)制TIM具有獨(dú)特的防止副反應(yīng)發(fā)生的機(jī)制：在反應(yīng)中形成的磷酸烯二醇中間物若離開(kāi)酶分子，在溶液中很容易釋放出磷酸根生成丙二醛，而異構(gòu)化生成3-磷酸甘油醛的并不多。但在細(xì)胞內(nèi)形成丙二醛的可能性幾乎為零，這是因?yàn)楫?dāng)烯二醇中間物形成以后，酶分子上一段由10個(gè)氨基酸殘基組成的環(huán)像一個(gè)蓋子堵住了活性中心，致使烯二醇中間物無(wú)法離開(kāi)酶分子，只能異構(gòu)化成3-磷酸甘油醛。當(dāng)3-磷酸甘油醛形成以后，上述環(huán)消失，產(chǎn)物得以釋放。長(zhǎng)期的進(jìn)化使其成為最完美的酶！糖酵解第二個(gè)階段的反應(yīng)產(chǎn)生4ATP

導(dǎo)致糖酵解凈產(chǎn)生2ATP涉及兩個(gè)高能磷酸化合物1,3BPG（1,3-二磷酸甘油酸）PEP反應(yīng)6:3-磷酸甘油醛的脫氫3-磷酸甘油醛被氧化成1,3-二磷酸甘油酸這是整個(gè)糖酵解途徑唯一的一步氧化還原反應(yīng)由3-磷酸甘油醛脫氫酶催化產(chǎn)生1,3-BPG和NADH為巰基酶，使用共價(jià)催化，碘代乙酸和有機(jī)汞能夠抑制此酶活性。砷酸在化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)與Pi極為相似，因此可以代替無(wú)機(jī)磷酸參加反應(yīng)，形成1-砷酸-3-磷酸甘油酸，但這樣的產(chǎn)物很容易自發(fā)地水解成為3-磷酸甘油酸并產(chǎn)生熱，無(wú)法進(jìn)入下一步底物水平磷酸化反應(yīng)。3-磷酸甘油醛脫氫酶催化的反應(yīng)及其作用機(jī)理碘代乙酸和甲基汞抑制3-磷酸甘油醛脫氫酶的機(jī)理反應(yīng)7:第一步底物水平的磷酸化從高能磷酸化合物合成ATP由磷酸甘油酸激酶催化反應(yīng)8:磷酸甘油酸的變位磷酸基團(tuán)從C-3轉(zhuǎn)移到C-2

由磷酸甘油酸變位酶催化不同來(lái)源的變位酶具有不同的催化機(jī)制，一類需要2,3-BPG作為輔助因子，并需要活性中心的一個(gè)His殘基；另一類則不需要2,3-BPG，其變位實(shí)際上是3-磷酸甘油酸分子內(nèi)的磷酸基團(tuán)的轉(zhuǎn)移。磷酸甘油酸變位酶催化的反應(yīng)及其作用機(jī)理反應(yīng)9:PEP的形成2-磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變成PEP

由烯醇化酶催化烯醇化酶的作用在于促進(jìn)2-磷酸甘油酸上某些原子的重排從而形成具有高能鍵的高能分子。氟化物能夠與Mg2＋和磷酸基團(tuán)形成絡(luò)合物，而干擾2-磷酸甘油酸與烯醇化的結(jié)合從而抑制該酶的活性。PEP的合成反應(yīng)10:第二步底物水平的磷酸化PEP轉(zhuǎn)化成丙酮酸，同時(shí)產(chǎn)生ATP

是第三步不可逆反應(yīng)由丙酮酸激酶催化產(chǎn)生兩個(gè)ATP，可被視為糖酵解途徑最后的能量回報(bào)。ΔG為大的負(fù)值——受到調(diào)控!第二次底物水平的磷酸化非酶促反應(yīng)NADH和丙酮酸的去向取決于細(xì)胞有氧還是無(wú)氧？？

在有氧狀態(tài)下NADH和丙酮酸的命運(yùn)NADH的命運(yùn)：NADH在呼吸鏈被徹底氧化成H2O并產(chǎn)生更多的ATP丙酮酸的命運(yùn)：丙酮酸經(jīng)過(guò)線粒體內(nèi)膜上丙酮酸運(yùn)輸體與質(zhì)子一起進(jìn)入線粒體基質(zhì)，被基質(zhì)內(nèi)的丙酮酸脫氫酶系氧化成乙酰-CoA

缺氧狀態(tài)或無(wú)氧下NADH和丙酮酸的命運(yùn)乳酸發(fā)酵酒精發(fā)酵線粒體內(nèi)膜上的3-磷酸甘油穿梭系統(tǒng)

磷酸二羥丙酮?dú)浜碗娮咏唤oFAD只產(chǎn)生1.5個(gè)ATP損失1ATP蘋(píng)果酸-天冬氨酸穿梭系統(tǒng)丙酮酸的代謝去向需硫胺素焦磷酸作為輔酶丙酮酸轉(zhuǎn)變成乙酰-CoA的四步反應(yīng)(1)丙酮酸脫羧硫胺素焦磷酸(2)碳單位的轉(zhuǎn)移與氧化(3)碳單位的再次轉(zhuǎn)移(4)氧化型硫辛酰胺的再生砒霜的毒性機(jī)理丙酮酸轉(zhuǎn)變成乙酰-CoA的第二步反應(yīng)中糖酵解的能量學(xué)調(diào)控的有力證據(jù)!

標(biāo)準(zhǔn)的

G值分散分布細(xì)胞內(nèi)多數(shù)

G接近0，10步反應(yīng)中有3步具有較大的自由能降低

G為較大負(fù)值的反應(yīng)是調(diào)控位點(diǎn)!

糖酵解的其他底物甘油、果糖、甘露糖和半乳糖甘油轉(zhuǎn)變成DHAP（3-磷酸甘油）果糖和甘露糖通過(guò)比較常規(guī)的途徑進(jìn)入糖酵解

半乳糖通過(guò)Leloir途徑進(jìn)入甘油和其他單糖進(jìn)入糖酵解的途徑糖酵解的生理意義產(chǎn)生ATP提供生物合成的原料糖酵解與腫瘤：缺氧與缺氧誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子參與糖酵解途徑的一些酶的兼職功能糖酵解某些中間物的代謝流向糖酵解的調(diào)節(jié)糖酵解活性與細(xì)胞的能量狀態(tài)有關(guān)當(dāng)ATP水平較高，糖酵解活性降低

己糖激酶受到過(guò)量6-磷酸葡糖的抑制PFK-1受到ATP和檸檬酸抑制丙酮酸激酶受到ATP抑制當(dāng)ATP不足時(shí)，糖酵解被激活A(yù)TP解除ATP對(duì)PFK-1的抑制F-2,6-BP解除ATP對(duì)PFK-1的抑制F-1,6-BP激活丙酮酸激酶磷酸果糖激酶1果糖-2,6-二磷酸果糖-1,6-二磷酸需氧細(xì)胞中糖酵解最主要的功能是什么?從葡萄糖獲得脂肪許可碳水化合物進(jìn)入三羧酸循環(huán)從葡萄糖逐步講解獲得能量把葡萄糖分子分成兩個(gè)片段ABCD提交單選題5分思考題1、什么是糖酵解途徑？其生理意義是什么？2、糖酵解最主要的調(diào)節(jié)位點(diǎn)是哪步反應(yīng)？催化該反應(yīng)的酶是什么？有哪些效應(yīng)物對(duì)該酶有調(diào)節(jié)作用？3、糖酵解途徑的產(chǎn)物在有氧和無(wú)氧的情況下的代謝去路是怎樣的？4、如果Mg2+缺乏對(duì)糖酵解途徑會(huì)有什么影響？II三羧酸循環(huán)、磷酸己糖旁路三羧酸循環(huán)提綱一、三羧酸循環(huán)概述二、三羧酸循環(huán)的全部反應(yīng)三、三羧酸循環(huán)的生理功能四、乙醛酸循環(huán)五、三羧酸循環(huán)的調(diào)控六、TCA循環(huán)的起源和進(jìn)化TCA循環(huán)概述也稱為檸檬酸循環(huán)循環(huán)

發(fā)生在有氧生物體內(nèi)（真核細(xì)胞的線粒體基質(zhì)，原核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)）是糖、氨基酸和脂肪酸最后共同的代謝途徑糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸（實(shí)際上是乙酰-CoA）被降解成CO2

產(chǎn)生一些ATP、產(chǎn)生更多的NADHNADH進(jìn)入呼吸鏈，通過(guò)氧化磷酸化產(chǎn)生更多的ATP完整的三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)的原料——乙酰CoA的形成脂肪酸的β氧化氨基酸的氧化分解丙酮酸的氧化脫羧——由丙酮酸脫氫酶系催化反應(yīng)1：檸檬酸的合成這是一步不可逆反應(yīng)由檸檬酸合酶催化檸檬酸合酶由兩個(gè)相同的亞基組成，它被視為酶“誘導(dǎo)契合”學(xué)說(shuō)又一代表性的例子:在無(wú)底物結(jié)合時(shí)，酶兩個(gè)亞基的構(gòu)象呈開(kāi)放型；當(dāng)結(jié)合底物以后，則被誘導(dǎo)為緊密型。在反應(yīng)中，OAA（草酰乙酸）首先與酶活性中心結(jié)合，這種結(jié)合迅速誘導(dǎo)活性中心的構(gòu)象發(fā)生變化，從而創(chuàng)造出乙酰-CoA的結(jié)合位點(diǎn)。隨后，乙酰-CoA結(jié)合到酶活性中心，并與OAA形成檸檬酰-CoA。這時(shí)，酶的構(gòu)象再次發(fā)生變化，遠(yuǎn)離活性中心的一個(gè)關(guān)鍵的Asp殘基被拉入到檸檬酰-CoA上的硫酯鍵，很快硫酯鍵被切開(kāi)，終產(chǎn)物輔酶A和檸檬酸被依次釋放。檸檬酸合酶在催化過(guò)程中先后發(fā)生的兩次構(gòu)象變化既防止了乙酰-CoA的提前釋放，也大大降低了乙酰-CoA在活性中心被Asp殘基水解成乙酸的可能性。檸檬酸的合成

首先與酶活性中心結(jié)合，這種結(jié)合迅速誘導(dǎo)活性中心的構(gòu)象發(fā)生變化，從而創(chuàng)造出乙酰-CoA的結(jié)合位點(diǎn)。隨后，乙酰-CoA結(jié)合到酶活性中心，并與OAA形成檸檬酰-CoA。這時(shí)，酶的構(gòu)象再次發(fā)生變化，遠(yuǎn)離活性中心的一個(gè)關(guān)鍵的Asp殘基被拉入到檸檬酰-CoA上的硫酯鍵，很快硫酯鍵被切開(kāi)，終產(chǎn)物輔酶A和檸檬酸被依次釋放。檸檬酸合酶的兩種構(gòu)象

在無(wú)底物結(jié)合時(shí)，酶兩個(gè)亞基的構(gòu)象呈開(kāi)放型；當(dāng)結(jié)合底物以后，則被誘導(dǎo)為緊密型。氟代乙酸在細(xì)胞內(nèi)的代謝轉(zhuǎn)變及其對(duì)TCA循環(huán)的影響反應(yīng)2：檸檬酸的異構(gòu)化檸檬酸異構(gòu)化成異檸檬酸

由順烏頭酸酶催化檸檬酸不是氧化的好底物，但異檸檬酸卻不同，經(jīng)過(guò)異構(gòu)化，三級(jí)羥基變成了易氧化的二級(jí)羥基在形成的異檸檬酸分子中，羥基只會(huì)與來(lái)源于草酰乙酸的β-碳原子而絕對(duì)不會(huì)與來(lái)源于乙酰-CoA的β-碳原子相連!這可以通過(guò)“三點(diǎn)附著”模型來(lái)解釋。順烏頭酸酶使用鐵硫蛋白為輔助因子檸檬酸的異構(gòu)化鐵硫蛋白在順烏頭酸酶反應(yīng)中的作用反應(yīng)3：異檸檬酸的脫氫

異檸檬酸氧化脫羧產(chǎn)生α-酮戊二酸

由異檸檬酸脫氫酶（IDH）催化先是脫氫，然后是β-脫羧有兩種形式的異檸檬酸脫氫酶，分別使用輔酶I和輔酶II作為氫的受體異檸檬酸的脫氫反應(yīng)4：α-酮戊二酸的氧化脫羧第二次氧化脫羧反應(yīng)

由α-酮戊二酸的脫氫酶系催化在結(jié)構(gòu)上或者機(jī)制上，酶幾乎等同于丙酮酸脫氫酶系5種輔酶——TPP/Mg2+、CoA、硫辛酸、NAD+、FAD也是亞砷酸作用的對(duì)象α-酮戊二酸的氧化脫羧反應(yīng)5：底物水平的磷酸化TCA循環(huán)唯一的一步底物水平磷酸化反應(yīng)由琥珀酰-CoA合成酶催化ATP或GTP被合成

它的催化過(guò)程牽涉到一系列高能分子的形成，因此能量的損失微乎其微反應(yīng)機(jī)制涉及一個(gè)磷酸化的組氨酸

底物水平的磷酸化反應(yīng)6：琥珀酸的脫氫產(chǎn)生FADH2

由琥珀酸脫氫酶催化此酶實(shí)際上是呼吸鏈復(fù)合體II的主要成分琥珀酸的類似物丙二酸是該酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑反應(yīng)7：富馬酸的形成

雙鍵的水合

由富馬酸酶催化水分子加成反式的雙鍵反應(yīng)機(jī)制還不清楚反應(yīng)8：草酰乙酸的再生依賴于NAD+-的氧化還原反應(yīng)

這是三羧酸循環(huán)的最后一步反應(yīng)，也是三羧酸循環(huán)中的第四次氧化還原反應(yīng)由蘋(píng)果酸脫氫酶催化ΔGo′=+30kJ/mol，意味著在熱力學(xué)上極不利于正反應(yīng)，但在體內(nèi)，反應(yīng)產(chǎn)物草酰乙酸可以迅速被下一步不可逆反應(yīng)消耗，NADH則進(jìn)入呼吸鏈被徹底氧化，故整個(gè)反應(yīng)被“強(qiáng)行拉向”正反應(yīng)。草酰乙酸的再生TCA循環(huán)總結(jié)

TCA循環(huán)中C的命運(yùn)：乙酰CoA的羰基C只有在第2輪循環(huán)轉(zhuǎn)變成CO2

，乙酰CoA的甲基C能完全留在兩輪循環(huán)中，但是以后每一輪循環(huán)有一半離開(kāi)?？偡磻?yīng)：乙酰-CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3NADH+FADH2+GTP+2H＋+CoA1個(gè)乙酰-CoA通過(guò)三羧酸循環(huán)產(chǎn)生：2CO2,1ATP,3NADH,1FADH22H2O被使用作為底物，絕對(duì)需要O2TCA循環(huán)的功能產(chǎn)生更多的ATP提供生物合成的原料

是糖、氨基酸和脂肪酸最后的共同分解途徑某些代謝中間物作為其他代謝途徑的別構(gòu)效應(yīng)物產(chǎn)生CO2一分子葡萄糖徹底氧化過(guò)程中的ATP收支情況三羧酸循環(huán)中間物的去向草酰乙酸的回補(bǔ)反應(yīng)三羧酸循環(huán)最重要的生理意義在于作為糖、脂肪、氨基酸互變的樞紐使糖、脂肪、氨基酸徹底氧化供能消除物質(zhì)代謝產(chǎn)生的乙酰CoA消除糖酵解產(chǎn)生的乳酸，以防產(chǎn)生酸中毒ABCD提交產(chǎn)生CO，供機(jī)體生物合成E單選題5分乙醛酸循環(huán)植物和微生物的三羧酸循環(huán)的變化形式在每一輪循環(huán)中，前者有兩分子乙酰-CoA進(jìn)入只產(chǎn)生NADH，但不產(chǎn)生FADH2無(wú)底物水平磷酸化反應(yīng)，因此不產(chǎn)生ATP不生成CO2，無(wú)碳單位的損失，凈合成了糖異生的前體——蘋(píng)果酸乙醛酸循環(huán)與三羧酸循環(huán)的比較植物細(xì)胞內(nèi)的乙醛酸循環(huán)體及線粒體的亞顯微結(jié)構(gòu)三羧酸循環(huán)的調(diào)控為了適應(yīng)細(xì)胞對(duì)能量的需求，細(xì)胞內(nèi)的TCA循環(huán)受到嚴(yán)格的調(diào)控。對(duì)TCA循環(huán)本身的調(diào)控集中在檸檬酸合酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶，其中最重要的調(diào)控位點(diǎn)是異檸