糖代谢ppt课件

第七章糖代谢 一 新陈代谢概述二 糖的酶促水解三 糖的分解代谢四 糖的合成代谢五 糖代谢主要途径的相互联系 1 糖的分解代谢 一 糖无氧酵解 二 糖的有氧氧化 三 乙醛酸循环 四 磷酸戊糖途径 2 一 新陈代谢概述 1 新陈代谢概念2 新陈代谢特点3 新陈代谢的研究方法 3 1 新陈代谢概念 新陈代谢是生物体与外界环境进行物质交流与能量交换以及生物体内物质与能量转换的全过程 4 2 新陈代谢的特点 生物体内的绝大多数代谢反应是在温和的条件下 由酶所催化进行的 生物体内反应与步骤虽然繁多 但相互配合 有条不紊 彼此协调 而有严格的顺序性 生物体对内外环境条件有高度的适应性和灵敏的自动调节能力 5 新陈代谢过程包括营养物质的消化吸收 中间代谢以及代谢产物的排泄等阶段 中间代谢一般仅指物质在细胞中的合成和分解过程 不涉及营养物质的消化吸收与代谢产物的排泄等 本课程着重讨论中间代谢 6 3 新陈代谢的研究方法 1 同位素示踪法 2 酶的抑制剂和拮抗物应用 3 整体水平的代谢研究 4 器官水平代谢研究 5 细胞 亚细胞水平的代谢研究 7 1 同位素示踪法也称为体内水平的代谢研究 同位素有稳定同位素和放射性同位素两种 放射性同位素的核能够自己发生变化 放出带有电荷的粒子或不带电荷的射线 能随时显示出其在细胞内的位置变化 8 将放射性同位素掺入到有机物分子中 可以显示出该分子的行踪 同位素示踪法简便 灵敏度高 特异性强 是物质代谢研究中十分重要的方法 生物化学研究中常用的放射性同位素有 氚 3H 碳14 14C 磷32 32P 碘131 131I 钙45 45Ca 和硫35 35S 9 2 酶的抑制剂和拮抗物应用也称为体外水平的代谢研究 由于代谢反应都是酶促反应 在体外使用某种酶的抑制剂或抗代谢物 观察某一反应被抑制后的结果 从而推测某物质在体内的代谢变化 10 3 整体水平的代谢研究如克诺普以活的动物犬 beagle犬 为实验对象 给犬喂不同碳原子数的脂肪酸后 分析它的排泄物成分 提出了脂肪酸卢 氧化作用的学说 11 4 器官水平代谢研究如对排尿素动物尿素合成部位的研究 切除动物的肝脏 发现动物血液中氨基酸水平和血氨水平均升高 而尿中尿素含量下降 动物不久即死亡 切除肾脏却无此现象 说明肝脏与尿素合成有关 12 5 细胞 亚细胞水平的代谢研究将组织匀浆液进行差速离心或密度梯度离心 可分离到不同的亚细胞成分 由于不同的亚细胞成分所含有的酶系不同 功能不同 因而发现糖类物质 脂类物质的分解代谢主要是在线粒体中进行的 而脂肪酸合成主要是在胞浆中进行 13 一些亚细胞成分及所含的酶系如下 14 二 糖的酶促水解 消化过程 1 淀粉的酶促水解2 糖原的降解 磷酸解 3 纤维素的酶促水解4 双糖的水解5 糖类的消化 吸收及转化 15 1 淀粉的酶促水解 直链淀粉的分子结构较为简单 水解较容易 枝链淀粉分子结构则较为复杂 需要更多的酶 才能彻底水解为葡萄糖 参与淀粉水解的酶有 淀粉酶 淀粉酶 脱枝酶和麦芽糖酶 16 水解淀粉的酶类 淀粉酶 淀粉酶 存在植物体内 糊精酶 动物粘膜 R 酶 唾液淀粉酶 胰淀粉酶 植物a 淀粉酶 微生物a 淀粉酶 动物消化道 水解a 1 4糖苷键 存在植物体内 水解a 1 6糖苷键 葡糖淀粉酶 主要存在微生物体内 动物消化道也有 可水解a 1 4 a 1 6糖苷键 理论上可将支链 直链淀粉彻底水解 17 1 淀粉酶是淀粉内切酶 在淀粉分子内部任意切断 水解 1 4 糖苷键 直链淀粉 1 4糊精 枝链淀粉 1 4糊精 1 4 1 6糊精 最终结果 1 4糊精 麦芽糖和葡萄糖 l 4 1 6糊精 少量的麦芽糖 异麦芽糖 葡萄糖和大量的 极限糊精 带有分枝和直链的多于3个葡萄糖残基的寡聚糖 为 淀粉酶水解枝链淀粉的极限 18 19 20 2 淀粉酶淀粉外切酶 水解 1 4苷键 只能从淀粉的非还原端开始 依次水解下一个麦芽糖单位 淀粉酶不能越过分枝点水解淀粉内部的 1 4糖苷键 由于该酶能使基团发生转位反应 将 型转为 型 故产物为 麦芽糖 直链淀粉 麦芽糖 枝链淀粉 麦芽糖 带有分枝的 极限糊精 21 22 3 脱枝酶 R酶 枝链淀粉经 淀粉酶 淀粉酶水解后留下的极限糊精中均带有1 6糖苷键 有脱枝酶将它水解 得到不带分枝的葡聚糖继续在 淀粉酶和 淀粉酶作用下水解 生成麦芽糖和葡萄糖 23 由上可知 枝链淀粉的彻底水解需要 淀粉酶 淀粉酶 脱枝酶和麦芽糖酶共同作用 4 麦芽糖酶又称 葡萄糖苷酶 能水解麦芽糖以及糊精中的 1 4糖苷键 淀粉水解剩下的麦芽糖在麦芽糖酶的作用下 彻底水解成葡萄糖 麦芽糖酶有水解活性不同的多种同工酶 24 2 糖原的降解 磷酸解 25 26 3 纤维素的酶促水解 27 纤维素酶 是一种复合酶 至少包括以下成分 内切 1 4葡聚糖酶 能随机切断 1 4苷键 提供许多可供反应的末端 外切 1 4葡聚糖酶 该酶又可分为从非还原性末端开始切下一个 葡萄糖和切下一个 葡聚二糖 纤维二糖 的两种 纤维二糖酶 能将纤维二糖水解成 葡萄糖 28 4 双糖的水解 双糖酶中最重要的为蔗糖酶 麦芽糖酶 乳糖酶 它们都属于糖苷酶类 这三种酶广泛分布于微生物 人体及动物小肠液中 其催化反应如下 29 30 5 糖类的消化 吸收及转化 1 糖的消化植物光合作用产生的淀粉是动物重要营养来源 在动物中 淀粉经唾液淀粉酶的作用 其中一部分形成麦芽糖 在小肠中 淀粉经 淀粉酶水解 产生麦芽糖和极限糊精 食物中的二糖及寡糖由小肠上皮细胞分泌的寡糖酶从非还原末端水解 蔗糖由 葡萄糖苷酶水解 乳糖由 半乳糖苷酶水解 31 2 糖的吸收食物中的糖经消化后以D 葡萄糖 D 果糖 D 半乳糖等单糖形式被小肠粘膜细胞吸收进入血液 不能被消化的二糖 寡糖及多糖不能被吸收 32 3 糖的转运小肠内转运单糖的主要系统为小肠腔上表皮细胞膜内的Na 单糖协同转运系统 其主要功能是转运D 葡萄糖和D 半乳糖 33 34 三 糖的分解代谢 糖的分解代谢是生物体取能的方式 为了要尽量地利用糖分子中蕴藏的能 生物体所采用的取能方式是复杂的 微妙的 也是高效率的 糖的分解代谢实质上就是它的氧化作用 35 一 糖无氧酵解 二 糖的有氧氧化 三 乙醛酸循环 四 磷酸戊糖途径 生物体内葡萄糖 或糖原 的分解代谢途径有很多 主要是 36 1 在无氧情况下 葡萄糖 糖原 经酵解生成乳酸 糖酵解 葡萄糖 丙酮酸 乳酸 2 在有氧情况下 丙酮酸经三羧酸循环彻底氧化成水和二氧化碳 糖的有氧氧化 3 葡萄糖 糖原 经戊糖磷酸循环被氧化为水和二氧化碳 糖的磷酸戊糖途径 植物体 微生物体的分解代谢 除上述动物体的3条途径外 还有乙醇发酵及乙醛酸循环等 37 1 糖酵解 EMP 1 糖酵解概念 2 糖酵解过程 3 丙酮酸转化成乙醇 4 丙酮酸转化为乳酸 5 ATP的合成及酵解反应总结 6 酵解途径的调控 7 其他进入酵解的糖 8 糖酵解的生物学意义 38 1 糖酵解概念 糖酵解是动物 植物以及微生物细胞中葡萄糖分解产生能量的共同途径 所有的细胞中都存在着糖酵解途径 对于某些细胞 糖酵解是唯一生成ATP的途径 糖酵解途径涉及10步酶催化反应 其酶都位于细胞质中 一分子葡萄糖通过该途径被转换成两分子丙酮酸 糖酵解是通过一系列酶促反应将葡萄糖降解成丙酮酸并伴有ATP生成的过程 简称EMP途径 39 2 糖酵解的十步反应历程 40 41 42 43 44 45 46 47 糖酵解10步酶催化反应 己糖激酶催化葡萄糖磷酸化形成葡萄糖 6 磷酸 消耗一分子ATP 48 葡萄糖 6 磷酸异构酶催化葡萄糖 6 磷酸转化为果糖 6 磷酸 49 磷酸果糖激酶 I催化果糖 6 磷酸磷酸化生成果糖 1 6 二磷酸 消耗了第二个ATP分子 50 醛缩酶催化果糖 1 6 二磷酸裂解 生成甘油醛 3 磷酸和磷酸二羟丙酮 51 丙糖磷酸异构酶催化甘油醛 3 磷酸和磷酸二羟丙酮的相互转换 52 53 甘油醛 3 磷酸脱氢酶催化甘油醛 3 磷酸氧化为1 3 二磷酸甘油酸 54 磷酸甘油酸激酶催化1 3 二磷酸甘油酸转变为3 磷酸甘油酸 同时生成ATP 55 磷酸甘油酸变位酶催化3 磷酸甘油酸转换为2 磷酸甘油酸 56 烯醇化酶催化2 磷酸甘油酸形成磷酸烯醇式丙酮酸 57 丙酮酸激酶催化磷酰基从磷酸烯醇式丙酮酸转移给ADP 生成丙酮酸 58 酵解进行到这一步 除了净生成二分子ATP外 还使得二分子的NAD 还原为NADH 葡萄糖 2ADP 2NAD 2Pi 2丙酮酸 2ATP 2NADH 2H 2H2O 59 60 在厌氧状态下 酵母细胞将丙酮酸转化为乙醇和CO2 同时NADH被氧化为NAD 这一过程涉及二个反应 丙酮酸脱羧酶催化 丙酮酸脱羧生成乙醛 乙醛在醇脱氢酶催化下还原为乙醇 同时NADH被氧化为NAD 一分子葡萄糖经酵解和丙酮酸转化为乙醇的总反应为 3 丙酮酸转化成乙醇 厌氧时的酵母 61 葡萄糖 2Pi 2ADP 2H 2乙醇 2CO2 2ATP 2H2O 62 绝大多数生物缺少丙酮酸脱羧酶 不能将丙酮酸转化成乙醇 但可以通过乳酸脱氢酶 LDH 催化的一个可逆反应使丙酮酸还原为乳酸 4 丙酮酸转化为乳酸 绝大多数细胞中 葡萄糖 2Pi 2ADP 2H 2乳酸 2ATP 2H2O 63 5 酵解过程中ATP的合成及酵解反应总结 如果酵解从糖原开始 可以产生几个ATP 一分子葡萄糖降解成2分子丙酮酸 消耗2分子ATP 产生4分子ATP 净产量是2分子ATP 葡萄糖的无氧分解途径 无O2的参与 但有氧化还原反应 64 葡萄糖酵解的总反应式 葡萄糖 2Pi 2ADP 2NAD 2丙酮酸 2ATP 2NADH 2H 2H2O 在无氧时 酵解共产生2分子ATP 2分子NADH NADH将H 交给2分子丙酮酸 生成2分子乳酸 葡萄糖 2ADP 2Pi 2乳酸 2ATP 2H2O 65 酵解的3个主要调控部位 6 酵解途径的调控 酵解过程最关键的限速酶 66 酵解过程有三步不可逆反应 即有三个调控步骤 分别被己糖激酶 磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶调节 己糖激酶控制葡萄糖的进入 丙酮酸激酶调节酵解的出口 细胞在不同的生理条件下需要不同的酶进行调节 磷酸果糖激酶是酵解过程最关键的限速酶 67 酵解调节的总结 68 7 其他进入酵解的糖 69 在所有生物体中普遍存在 它在无氧及有氧时都能进行 是葡萄糖进行有氧或无氧分解的共同代谢途径 通过糖酵解 生物体获得生命活动所需的能量 其中糖通过该途径的无氧降解是厌氧生物获得能量的主要方式 因而是这类生物能在缺氧环境中生存的主要原因 需氧生物则可通过糖的有氧降解 获得比糖酵解更多的能量 8 糖酵解的生物学意义 70 糖酵解途径中形成多种中间产物 其中某些可作为合成其它物质的原料离开糖酵解途径转移到其它代谢途径 生成别的化合物 如3 磷酸甘油醛或磷酸二羧丙酮可转变为甘油 丙酮酸可转变为丙氨酸 6 磷酸葡萄糖可进入磷酸戊糖途径 从而使糖酵解与其它代谢途径联系起来 实现某些物质间的相互转化 71 糖酵解途径虽然有三步反应不可逆 但其余反应均可逆转 所以 它为糖异生作用提供基本途径 72 葡萄糖的有氧氧化分解代谢途径是一条完整的代谢途径 是从葡萄糖到丙酮酸 再经三羧酸循环彻底氧化成二氧化碳与H H进入电子传递链形成水的一系列连续反应 2 糖的有氧氧化 73 糖的有氧氧化过程 1 丙酮酸进入线粒体 2 丙酮酸氧化成乙酰CoA 3 三羧酸循环概念 4 三羧酸循环过程 5 三羧酸反应总结及ATP合成 6 三羧酸循环的调控 7 三羧酸循环的意义 8 有氧氧化的要点 74 酵解生成的丙酮酸经扩散通过线粒体外膜 再经过内膜上的丙酮酸转运酶的转运进入线粒体基质 由丙酮酸脱羧酶生成乙酰CoA 再经三羧酸循环进一步被氧化成CO2与H2O 并释放能量 1 丙酮酸进入线粒体 75 76 无论是在原核生物 还是在真核生物中 丙酮酸转化为乙酰CoA和CO2 都是由一些酶和辅酶构成的一个丙酮酸脱氢酶复合物催化的 总反应为 1 丙酮酸氧化成乙酰CoA 77 丙酮酸脱氢酶复合物是个多酶集合体 酶分子之间通过非共价键联系在一起位于线粒体膜上 由以下组成成分 78 羟乙基 TPP 丙酮酸脱氢酶复合体的催化反应 79 柠檬酸循环又称之三羧酸循环 因为循环中存在三羧酸中间产物 又因为该循环是由H A Krebs首先提出的 所以又叫做Krebs循环 其场所在线粒体内 三羧酸循环是有氧代谢的枢纽 糖 脂肪和氨基酸的有氧分解代谢都汇集在此 同时该循环的中间代谢物又是许多生物合成途径的起点 因此三羧酸循环既是分解代谢途径 又是合成代谢途径 是分解 合成两用途径 3 三羧酸循环概念 80 由丙酮酸形成的乙酰CoA或者是其它代谢途径 如脂肪酸或氨基酸的分解代谢途径 产生的乙酰CoA可以通过三羧酸循环氧化成成CO2与H 三羧酸循环涉及八步酶促反应 依次如下 4 三羧酸循环过程 81 82 柠檬酸合成酶 顺乌头酸酶 异柠檬酸脱氢酶 异柠檬酸脱氢酶 酮戊二酸脱氢酶系 琥珀酰CoA合成酶 琥珀酸脱氢酶 延胡索酸酶 苹果酸脱氢酶 83 84 乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸该反应由柠檬酸合成酶 也称柠檬酸缩合酶 催化的 该步反应基本上是不可逆的 85 手性分子柠檬酸转化成手性分子异柠檬酸柠檬酸由顺乌头酸酶催化脱水 形成C C双键 然后还是在顺乌头酸酶催化下 通过水的立体特异性添加 生成异柠檬酸 86 异柠檬酸脱氢氧化生成 酮戊二酸和CO2柠檬酸循环中四个氧化还原反应的第一个 是由异柠檬酸脱氢酶催化 NAD 还原为NADH H 的同时生成一个不稳定的 酮酸草酰琥珀酸 草酰琥珀酸经非酶催化的 脱羧作用生成 酮戊二酸和CO2 87 酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA 酮戊二酸氧化脱羧类似于丙酮酸脱氢酶复合物催化的反应 反应不可逆 由 酮戊二酸脱氢酶复合物催化 产物琥珀酰CoA 88 循环进行到 酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA这步反应为止 被氧化的碳原子数目 生成了两个CO2 刚好等于进入柠檬酸合成酶催化的反应的碳原子数 乙酰CoA分子中乙酰基的两个碳 在循环的后4个反应中 琥珀酰CoA的四碳琥珀酰基被转换回草酰乙酸 89 琥珀酰CoA合成酶催化底物水平磷酸化琥珀酰CoA合成酶 或称琥珀酸硫激酶 催化琥珀酰CoA转化为琥珀酸 琥珀酰CoA的硫酯键水解会释放出很多的自由能 驱动GTP或ATP的合成 在哺乳动物中合成的是GTP 而在植物和一些细菌中合成的是ATP 90 琥珀酸脱氢生成延胡索酸琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸 反丁烯二酸 同时使FAD还原为FADH2 再进入呼吸链 91 延胡索酸酶催化延胡索酸水化生成L 苹果酸延胡索酸酶将H2O特异添加到延胡索酸双键上 催化延胡索酸水化生成L 苹果酸 92 苹果酸脱氢形成草酰乙酸 完成一轮三羧酸循环L 苹果酸在以NAD 为辅酶的苹果酸脱氢酶催化下氧化生成草酰乙酸 同时NAD 还原生成NADH反应是可逆的 93 5 三羧酸循环反应总结及ATP的合成 三羧酸循环反应要点 三羧酸循环的能量产生 葡萄糖完全有氧氧化的ATP合成 94 三羧酸循环的8个反应可写成一个化学平衡方程 总反应式为 乙酰辅酶A 2H2O 3NAD FAD GDP Pi 2CO2 3NADH 3H FADH2 CoA SH GTP 三羧酸循环反应要点 1 两碳物 乙酰辅酶A 与4碳受体 草酰乙酸 结合成柠檬酸 2 当柠檬酸进一步代谢时 以CO2形式失去两个碳 3 有4个氧化反应 产生3个NADH 一个FADH2 4 只有一个反应直接产生高能磷酸化合物 ATP或GTP 5 草酰乙酸再产生 以进行下一轮循环 95 三羧酸循环的能量产生 96 葡萄糖完全有氧氧化的ATP合成 97 98 99 葡萄糖氧化的 G0 是 2870kJ mol ATP水解的 G0 是 30 5kJ mol 葡萄糖完全氧化能量的利用效率为40 38x30 5 2870 在标准条件下测定的值很可能要比在体内低 糖 脂肪和某些氨基酸代谢最终产生乙酰CoA 通过三羧酸循环彻底氧化成CO2 通过三羧酸循环进行氧化是体内最主要的产生ATP的途径 在生物进化中保存下来 100 6 三羧酸循环调控 101 三羧酸循环前的调节 丙酮酸脱氢酶复合物的调节 三羧酸循环中的调节部位 三羧酸循环中的调节要点 102 103 丙酮酸脱氢酶复合物催化丙酮酸脱氢 是葡萄糖进入柠檬酸循环的必经之路 是三羧酸循环前的反应 三羧酸循环前的调节 104 丙酮酸脱氢酶复合物存在别构和共价修饰两种调控 别构调控 乙酰CoA和NADH是其抑制剂 产物抑制 当乙酰CoA浓度高时抑制二氢硫辛酸乙酰转移酶 E2 当NADH高浓度时也抑制二氢硫辛酸脱氢酶 E3 相应地 NAD 和CoASH则是其激活剂 105 共价调节 丙酮酸脱氢酶激酶催化复合物中的丙酮酸脱氢酶 E1 磷酸化 导致该酶复合物失去活性 丙酮酸脱氢酶磷酸酶催化复合物中的丙酮酸脱氢酶 E1 脱磷酸 激活丙酮酸复合物 106 通过丙酮酸脱氢酶 E1 的磷酸化和脱磷酸化调节丙酮酸脱氢酶复合体的活力 107 丙酮酸脱氢酶的共价修饰由细胞的能量状态控制 当ATP浓度高时 丙酮酸脱氢酶活力关闭 ATP浓度低时 发出需要产生更多ATP的信号 酶复合体激活 在有ATP时 丙酮酸脱羧酶分子上3个特殊的丝氨酸残基被丙酮酸脱氢酶激酶磷酸化时 即失去活性 细胞内ATP ADP 乙酰CoA CoA和NADH NAD 的比值增高时 丙酮酸脱氢酶激酶的磷酸化作用增加 丙酮酸抑制其磷酸化作用 108 丙酮酸脱氢酶磷酸酶可水解除去丙酮酸脱氢酶上的磷酸基团 使酶再活化 丙酮酸脱氢酶磷酸酶受Mg2 和Ca2 的激活 胰岛素也可增加去磷酸化作用 增加丙酮酸氧化脱羧反应的速度 可以看出 丙酮酸脱氢酶复合体活性是由能荷 NAD NADH的比例 以及乙酰化的和自由的辅酶A比例来控制 109 三羧酸循环中的调节部位在三羧酸循环中存在2个调节部位 部位一 异柠檬酸脱氢酶 催化的异柠檬酸脱氢成 酮戊二酸反应 部位二 酮戊二酸脱氢酶 催化的 酮戊二酸脱氢形成琥珀酰CoA反应 110 哺乳动物的异柠檬酸脱氢酶受到Ca2 和ADP的别构激活 而受到NADH的抑制 原核生物中异柠檬酸脱氢酶在蛋白激酶作用下 酶中的Ser残基磷酸化 结果使酶完全失活 该蛋白激酶分子中的另一个结构域具有磷酸酶活性 可以催化磷酸Ser的去磷酸 重新激活异柠檬酸脱氢酶 111 酮戊二酸脱氢酶结构类似于丙酮酸脱氢酶 但 酮戊二酸脱氢酶复合物的调节与激酶和磷酸酶没有关系 主要是Ca2 与复合物中的E1结合 降低了酶对 酮戊二酸的Km值 导致琥珀酰CoA形成速度的增加 在体外实验中 NADH和琥珀酰CoA是 酮戊二酸脱氢酶复合物的抑制剂 但是否在活细胞内具有重要的调节作用还没有确定 112 三羧酸循环的控制三羧酸循环的主要调控步骤和调节因子 异柠檬酸脱氢酶 柠檬酸合成酶 酮戊二酸脱氢酶 苹果酸脱氢酶 丙酮酸脱氢酶 113 三羧酸循环调节要点 三羧酸循环最重要的控制因子是线粒体内 NAD 与 NADH 的比例 低浓度的NAD 抑制上述脱氢酶的活力 在动物肝中 柠檬酸的量可有10倍的变化 柠檬酸浓度低时 柠檬酸合成酶催化的反应主要受底物浓度的控制 草酰乙酸是柠檬酸合成酶底物水平上对调节物 114 三羧酸循环调节要点 变构调节的主要位点是异柠檬酸脱氢酶和 酮戊二酸脱氢酶催化的反应 异柠檬酸脱氢酶被ADP激活 被NADH抑制 酮戊二酸脱氢酶活力被琥珀酰辅酶A和NADH抑制 115 三羧酸循环调控小结 通过ADP对异柠檬酸脱氢酶的变构激活 三羧酸循环流量与细胞的能量状态相适应 通过线粒体内 NAD 浓度降低时引起的流速减低 三羧酸循环流量与细胞的氧化还原状态相适应 通过乙酰辅酶A和琥珀酰辅酶A对有关酶的抑制 三羧酸循环流量与细胞内可利用富能化合物的量相适应 116 117 118 是有机体获得生命活动所需能量的最主要途径 是物质代谢的枢纽 是发酵产物重新氧化的途径 影响果实品质的形成 7 三羧酸循环意义 119 是有机体获得生命活动所需能量的最主要途径 每个葡萄糖分子仅通过三羧酸循环阶段 与电子传递链及氧化磷酸化相结合 就可产生24分子ATP 远远超过糖酵解阶段或葡萄糖无氧降解所产生的ATP数 此外 脂肪 氨基酸等其它有机物作为呼吸底物彻底氧化时所产生的能量主要也是通过三羧酸循环 因此 三羧酸循环是生物体获取能量的最主要的途径 120 是物质代谢的枢纽 一方面三羧酸循环是糖 脂肪和氨基酸等彻底分解的共同途径 另一方面 循环中生成的草酰乙酸 酮戊二酸 柠檬酸 琥珀酰coA和延胡索酸等又是合成糖 氨基酸 脂肪酸 卟啉等的原料 因而三羧酸循环具有将各种有机物代谢联系起来 成为物质代谢枢纽的作用 121 122 是发酵产物重新氧化的途径 细胞在无氧条件下发酵产生的乳酸如在有氧时 可经脱氢氧化生成丙酮酸 转变成乙酰CoA后即可进入三羧酸循环 发酵产物重新氧化分解 使原来未释放的能量因此得到利用 123 影响果实品质的形成一些果实品质的形成和改善与三羧酸循环有关 如循环中的柠檬酸 苹果酸是柑桔 苹果等果实中的重要成分 果实贮存期间 这些有机酸又作为呼吸底物首先被消耗 使果实由酸变甜 糖 酸比增大 改善了果实的品质 124 8 糖氧化分解的要点提示 糖酵解是单糖分解代谢的共同途径 催化糖酵解的10个酶都位于细胞质中 每一个己糖可以转化为两分子的丙酮酸 同时净生成2分子ATP和2分子NADH 糖酵解分为两个阶段 己糖阶段 消耗ATP 和丙糖阶段 生成ATP 125 在酵解的己糖阶段 126 在厌氧条件下 通过丙酮酸的还原代谢使得NADH重新氧化为NAD 在酵母的酒精发酵过程中 在丙酮酸脱羧酶催化下丙酮酸氧化脱羧生成乙醛 然后乙醛在乙醇脱氢酶的催化下被还原为乙醇 同时使NADH氧化生成NAD 而在肌肉缺氧下的酵解过程中 乳酸脱氢酶催化丙酮酸转化为乳酸 同时也伴随着NADH重新氧化为NAD 127 在酵解途径中存在3个不可逆反应 是分别由己糖激酶 磷酸果糖激酶 1和丙酮酸激酶催化的 这3个酶正是酵解途径的调节部位 调节涉及别构调节和共价修饰 128 糖酵解和三羧酸循环之间的桥梁是丙酮酸脱氢酶复合体 在细胞质中酵解产生的丙酮酸被转运到线粒体基质中 在线粒体中丙酮酸在丙酮酸脱氢酶复合物催化下氧化生成乙酰CoA和CO2 丙酮酸脱氢酶复合物是由丙酮酸脱氢酶 二氢硫辛酰胺乙酰基转移酶和二氢硫辛酰胺脱氢酶组成的 同时还需要硫胺素焦磷酸 硫辛酰胺 CoASH FAD和NAD 等辅助因子 129 三羧酸循环是发生在线粒体中的一系列反应 三羧酸循环由8步酶促反应组成 一分子乙酰CoA经三羧酸循环氧化形成2个CO2 使得3分子NAD 还原为NADH 一分子FAD还原为FADH2 经电子传递和氧化磷酸化可以生成11分子ATP 同时由GDP和Pi生成了一分子的GTP 130 一分子的葡萄糖经酵解 丙酮酸脱氢酶复合物 三羧酸循环以及电子传递和氧化磷酸化可以产生36分子或38分子ATP 131 三羧酸循环中存在几个调节部位 丙酮酸脱氢酶复合物受到产物乙酰CoA和NADH的抑制和受到CoASH和NAD 的激活 同时该酶复合物还受到共价修饰调节 异柠檬酸脱氢酶和 酮戊二酸脱氢酶复合物受到别构调节 132 3 乙醛酸循环 1 乙醛酸循环是三羧酸循环的支路 2 乙醛酸循环意义 133 糖类合成时 由非糖前体生成糖时需要丙酮酸或者草酰乙酸作为合成的前体 在动物体内 乙酰CoA不能净合成丙酮酸或者草酰乙酸 故乙酰CoA不能作为净合成葡萄糖的碳源 虽然乙酰CoA中的2个碳原子经柠檬酸循环可以整合到草酰乙酸的分子中 但每整合2个碳原子 而其它2个碳原子又以2个CO2分子通过三羧酸循环释放出去 所以没有净合成草酰乙酸 1 乙醛酸循环是三羧酸循环的支路 134 在植物 微生物和酵母中却存在着一个可以由2碳化合物生成糖的生物合成途径乙醛酸循环 每一轮乙醛酸循环引入2个2碳片段 合成一个4碳的琥珀酸 这个循环发生在乙醛酸循环体上 生成乙酰辅酶A的脂肪酸 氧化也发生在乙醛酸循环体上 135 136 137 138 从总反应式看出 乙醛酸循环中的乙酰CoA中并没有以CO2形式释放 而是净合成了1分子草酰乙酸 草酰乙酸正是合成葡萄糖的前体 故乙醛酸循环在植物 微生物和酵母等生物的代谢中起着重要的作用 酵母细胞可以将乙醇氧化成乙酰CoA 经乙醛酸循环能生成草酰乙酸 进入三羧酸循环释放能量 故可以在乙醇中生长 乙醛酸循环的总反应式是 139 以二碳物为起始物合成三羧酸循环中的二羧酸与三羧酸 只需少量四碳二羧酸作 引物 便可无限制地转变成四碳物和六碳物 作为三羧酸循环上化合物的补充 2 乙醛酸循环意义 140 由于丙酮酸的氧化脱羧生成乙酰辅酶A是不可逆反应 在一般生理情况下 动物组织中依靠脂肪大量合成糖是较困难的 但在植物和微生物内则发现脂肪转变为糖是通过乙醛酸循环途径进行的 特别是适应油料种子萌发时的物质转化 两个乙酰辅酶A合成一个苹果酸 氧化变成草酰乙酸后 脱羧生成丙酮酸可合成糖 141 4 磷酸戊糖 HMP 途径 葡萄糖分解代谢的最主要途径是产生丙酮酸的糖酵解 和最终氧化成CO2的三羧酸循环 磷酸戊糖途径 HMP 是一个变换途径 在不同组织中有不同程度的应用 其主要作用是合成而不是分解 但是它确实在葡萄糖氧化中起作用 在某些情况下可将葡萄糖完全氧化成CO2和H2O 142 1 磷酸戊糖途径的反应历程 2 磷酸戊糖途径代谢的调节 3 磷酸戊糖途径代谢意义 4 磷酸戊糖途径代谢小结 143 氧化阶段 葡萄糖 6 磷酸脱氢酶催化葡萄糖 6 磷酸脱氢转化成6 磷酸葡萄糖酸内酯 葡萄糖酸内酯酶催化6 磷酸葡萄糖酸内酯水解生成6 磷酸葡萄糖酸 后者在6 磷酸葡萄糖酸在6 磷酸葡萄糖酸脱氢酶的作用下氧化脱羧生成核酮糖 5 磷酸 CO2和另一分子的NADPH 该阶段的最重要的功能是提供NADPH 1 磷酸戊糖途径的反应历程 144 145 非氧化阶段 非氧化阶段是一条转换途径 核酮糖 5 磷酸转换为糖酵解的中间产物果糖 6 磷酸和甘油醛 3 磷酸 如果所有的戊糖磷酸都转换为酵解的中间产物 3分子的戊糖分子可以转换为2分子的己糖和1分子的丙糖 3核酮糖 5 P 2F 6 P 甘油醛 3 P 146 147 148 149 磷酸戊糖生成6 P F和3 P 甘油醛的总反应磷酸戊糖途径需要3个磷酸戊糖 在总结时 要考虑有三个葡萄糖分子进入氧化阶段 3G 6 P 6NADP 35 P 戊糖 6NADPH 6H 3CO2在非氧化阶段 35 P 戊糖 2F 6 P 3 P 甘油醛整个途径的平衡方程式 3G 6 P 6NADP 2F 6 P 3CO2 3 P 甘油醛 6NADPH 6H 150 6 P G脱氢酶在所有酶中活性最低 是磷酸戊糖途径的限速酶 催化不可逆反应 它的活性受NADP NADPH比例的调节 NADPH竞争性抑制6 P G脱氢酶及6 P 葡萄糖酸脱氢酶的活性 只有NADPH在脂肪生物合成中被消耗时才解除抑制 再通过6 P G酶产生出NADPH 2 磷酸戊糖途径代谢的调节 151 非氧化阶段戊糖的转变主要受控于底物浓度 5 P 核糖过多时 可转化成6 P F和3 P 甘油醛进入酵解 磷酸戊糖途径代谢的调节 152 戊糖磷酸途径是提供重要代谢物核糖 5 P和NADPH 核糖 5 P主要用于核酸的生物合成 而NADPH是以还原力形式存在的化学能的一个载体 主要用于生物合成中 3 磷酸戊糖途径代谢意义 153 产生大量的NADPH 主要用于还原反应 其电子通常不经电子传递链传递 故不能用于ATP的合成 中间产物为许多化合物的合成提供原料 例如核糖 5 P为核酸提供合成原料 与光合作用联系起来 实现某些单糖间的互变 154 磷酸戊糖途径的主要作用是合成而不是分解 但在某些情况下可将葡萄糖完全氧化成CO2和H2O 磷酸戊糖途径的生物功能中最主要的是为脂肪酸 固醇类物质的生物合成提供NADPH和为核苷酸和核酸生物合成提供5 磷酸核糖 4 磷酸戊糖 HMP 途径小结 155 磷酸戊糖途径可分为氧化阶段和非氧化阶段 氧化阶段产生NADPH和5 磷酸核酮糖 非氧化阶段产生5 磷酸核糖和5 磷酸木酮糖 这些磷酸戊糖经过分子重排 产生不同碳链长度的磷酸单糖 整个途径的平衡方程式可写成 66 P G 12NADP 7H2O 56 P G 6CO2 12NADPH 12H H3PO4 156 磷酸戊糖途径可满足不同的代谢需要 a 如果基本需要是核苷酸合成 主要产物是5 磷酸核糖 其他反应不发生 b 如果基本需要是NADPH的产生 非氧化阶段产生容易再转化成6 磷酸葡萄糖的化合物 6 磷酸葡萄糖可再进入氧化阶段 c 如果基本需要是产生能量 反应产物通过酵解和三羧酸循环进行氧化 157 磷酸戊糖途径的限速酶是6 P G脱氢酶 它催化不可逆反应 其活性受ADP NADPH比例的调节 非氧化阶段戊糖的转变主要受控于底物浓度 158 四 糖的合成代谢 1 葡糖糖合成 糖异生作用 2 蔗糖的合成3 糖原的合成4 淀粉的合成 159 1 糖异生作用的概念和场所 2 糖异生的途径 3 糖异生的前体 4 糖异生的意义 5 Cori循环 6 糖异生和糖酵解的代谢协调控制 1 糖异生作用 160 1 糖异生作用的概念和场所 葡萄糖的异生作用是指由非糖物质转变成葡萄糖的过程 是葡糖糖合成方式之一 哺乳动物葡萄糖异生作用是在肝脏细胞中进行的 高等植物主要是发生在油料作物种子萌发时 贮存的脂肪向糖转变 由异生的葡萄糖合成糖原的过程称为糖原异生作用 161 糖异生途径 丙酮酸葡萄糖 但不是酵解途径的简单逆转 在酵解中 己糖激酶 磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶所催化的反应是不可逆的 在糖异生中 这三步反应由不同的酶催化 由四步反应实现克服 其余7步反应就是是酵解的逆反应 2 糖异生作用途径 162 163 糖异生途径 丙酮酸葡萄糖 2 糖异生作用途径 164 限速第一步 丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 165 草酰乙酸转化为磷酸烯醇式丙酮酸草酰乙酸经磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶催化生成磷酸烯醇式丙酮酸 该脱羧反用GTP作为高能磷酰基的供体 在体内是不可逆的 但在体外 分离的磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶却可以催化该反应的逆反应 166 注意 丙酮酸羧化酶存在于线粒体中 丙酮酸进入线粒体后生成草酰乙酸 在线粒体内草酰乙酸转变成苹果酸后转运到胞浆 细胞浆中的苹果酸又被苹果酸脱氢酶再氧化成草酰乙酸 然后再转变成PEP NAD 是氢受体 167 线粒体中NADH H 草酰乙酸 NAD 苹果酸 G0 29 7kJ mol胞浆中苹果酸 NAD 草酰乙酸 NADH H G0 29 7kJ mol 168 果糖 1 6 二磷酸水解生成果糖 6 磷酸酵解过程中的F 6 P生成F 1 6 2P反应是不可逆反应 所以 糖异生途径使用F 1 6 2P酶催化F 1 6 2P水解生成F 6 P 反应释放出大量的自由能 反应也是不可逆的 限速第二步 果糖 1 6 二磷酸果糖 6 磷酸 169 葡萄糖 6 磷酸水解生成葡萄糖F 6 P沿酵解的逆反应异构化生成G 6 P 由葡G 6 P酶催化其水解为葡萄糖和无机磷酸 该水解反应不可逆 限速第三步 葡糖糖 6 磷酸葡糖糖 170 171 从以上过程可以看出 糖异生是个需能过程 由两分子丙酮酸合成一分子葡萄糖需要4分子ATP和2分子GTP 同时还需要两分子NADH 糖异生总反应方程式为 2丙酮酸 4ATP 2GTP 2NADH 2H 6H2O葡萄糖 4ADP 2GDP 6Pi 2NAD 172 糖异生等于用ATP GTP各2分子克服由两分子丙酮酸形成两分子高能磷酸烯醇式丙酮酸的能障 用2分子ATP进行磷酸甘油激酶催化反应的可逆反应 葡萄糖经糖酵解转化为两分子丙酮酸净生成2分子ATP 而由两分子丙酮酸经糖异生途径合成一分子葡萄糖却消耗了6个高能键 也就是说 糖异生比酵解净生成的ATP多用了4分子ATP 储存能量 173 3 糖异生的前体 凡是能生成丙酮酸的物质都可以变成葡萄糖 三羧酸循环的中间物 柠檬酸 异柠檬酸 酮戊二酸 琥珀酸 延胡索酸和苹果酸都可以转变为草酰乙酸而进入糖异生途径 乙酰CoA不能作为糖异生的前体 它不能转化成丙酮酸 因为丙酮酸脱氢酶反应是不可逆的 174 大多数氨基酸是生糖氨基酸 如丙氨酸 谷氨酸 天冬氨酸 丝氨酸 半胱氨酸 甘氨酸 精氨酸 组氨酸 苏氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 天冬酰胺 甲硫氨酸 缬氨酸 它们可转变成丙酮酸 以及 酮戊二酸 草酰乙酸等三羧酸循环中间产物参加糖异生途径 175 176 糖异生具有重要的生理意义 在饥饿 剧烈运动造成糖原下降后 血糖浓度降低 糖异生可使酵解产生的乳酸 脂肪分解的甘油以及大部分氨基酸等代谢中间物重新生成糖 这对于维持血糖浓度 满足组织 特别是脑和红细胞 对糖的需要是十分重要的 4 糖异生作用意义 177 178 5 Cori循环当骨骼肌剧烈运动时 呼吸不能向组织中运送足够的氧使葡萄糖完全氧化 6 P G转换成丙酮酸的速度大于丙酮酸进一步由三羧酸循环完全氧化的速度 这时丙酮酸倾向于还原成乳酸 乳酸释放进入血液 再迅速进入肝 进入肝脏的乳酸再氧化成丙酮酸 丙酮酸通过糖异生再生成葡萄糖 葡萄糖再回到血液 骨骼肌又将葡萄糖摄入 再产生糖原储备 179 Cori循环可立氏循环 这条途径在肌肉剧烈运动后的恢复过程中特别活跃 是为了重建糖原储备 180 6 糖异生和糖酵解作用的代谢协调控制糖酵解和糖异生都是在胞浆中进行但是方向相反 它们的控制必须是交互或是往复式的 换句话说 细胞激活其中一条途径必定抑制另一条途径 181 糖酵解的控制主要是通过调节三个强放能反应进行的 这三个强放能反应由己糖激酶 磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶控制 在糖异生中 这三个反应的相反反应也是强放能的 由葡萄糖 6 磷酸酶 果糖1 6 二磷酸酶 以及丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶控制 182 183 糖异生和糖酵解作用的代谢协调控制的调节方式有 别构调节 无效循环 激素调节 184 别构调节 别构酶效应物在协调控制中的作用高浓度6 P G抑制己糖激酶 而激活葡萄糖6 磷酸酶 从而抑制酵解 促进糖异生 糖酵解和糖异生共同关键控制点是6 P F与1 6 2P F的转化 其中酵解过程的关键调控酶是磷酸果糖激酶 糖异生的关键调控酶是果糖二磷酸酶 2 6二磷酸果糖对这两个酶的作用相反 185 乙酰辅酶A是丙酮酸羧化酶的激活剂 是丙酮酸激酶和丙酮酸脱氢酶的抑制剂 丙氨酸是糖异生的前体 但对丙酮酸激酶有抑制作用 是该酶的负效应物 ATP抑制磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶的活力 抑制酵解 其后果是同时激活糖异生 细胞中能荷减少 则酵解加速 糖异生作用减慢 186 无效循环由于酵解与糖异生途径是由不同酶催化的两个相反代谢反应 其条件不一样 一个方向需要ATP参加使底物磷酸化 另一个方向使磷酸化的底物自动水解 结果ATP水解消耗了能量 底物没有变化 这种循环称无效循环 酵解和糖异生有3个点可能产生无效循环 187 188 激素对糖异生及酵解途径的调控作用肾上腺素 高血糖素 糖皮质激素可增加磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶及葡萄糖6 磷酸酶的合成 从而促使糖异生作用 这些激素也可通过cAMP激活特定蛋白激酶 使丙酮酸激酶磷酸化 抑制酶的活性 使酵解受到抑制 胰岛素可以使磷酸果糖激酶 丙酮酸激酶活性升高 增强酵解 并可使果糖1 6 二磷酸酶活性下降 对抗高血糖素 肾上腺素对糖异生的效应 使糖异生减弱 糖尿病动物的糖异生加强 189 2蔗糖的合成 蔗糖在植物界分布最广 特别是在甘蔗 甜菜 菠萝的汁液中很多 蔗糖不仅是重要的光合作用和高等植物的主要成分 而且是糖类在植物体中运输的主要形式 蔗糖在高等植物中的合成主要有两种途径 1 蔗糖合成酶合成蔗糖 2 蔗糖磷酸合成酶 190 1 蔗糖合成酶 利用尿苷二磷酸 UDPG 作为葡萄糖给体与果糖和合成蔗糖 而尿苷二磷酸葡糖是葡糖 1 磷酸与尿苷三磷酸 UTP 在UDPG焦磷酸化酶催化下生成 葡糖 1 磷酸 UTP UDPG PPiPPi H2O 2Pi 191 UDPG 果糖 蔗糖 UDPK 平衡常数 8 pH7 4 蔗糖合成酶 192 2 磷酸蔗糖合成酶 也利用UDPG作为葡萄糖给体 但果糖部分不是游离果糖 而是果糖磷酸酯 合成产物是蔗糖磷酸酯 再经专一的磷酸酯酶作用脱去磷酸形成蔗糖 被认为是植物合成蔗糖的主要途径 193 3糖原的合成 在体外 使糖原分解的磷酸化酶可催化逆反应合成糖原 在体内 糖原合成不是由磷酸化酶催化的 糖原合成中糖基的供体是UDPG UDP 葡萄糖 而不是G 1 P 合成与分解采用不同途径更容易满足代谢调节和反应所需能量的要求 194 1 UDP G合成 在体内 G 1 P在UDP 葡萄糖焦磷酸化酶催化下与UTP反应生成UDP 葡萄糖 反应是可逆的 但由于焦磷酸极易被焦磷酸酶水解成磷酸使反应向右进行 195 糖原合成酶催化新的葡萄糖残基加在糖原非还原末端的葡萄糖残基碳4的羟基上 形成 1 4糖苷键 2 糖原合成 196 3 1 6 糖苷键的形成 分枝酶从至少11个葡萄糖残基的糖原将末端6个葡萄糖残基转移到较内部的葡萄糖残基6位羟基上 形成具有1 6 糖苷键的新分枝 分枝酶的这个反应为糖原合成酶的反应创造了两个末端 197 198 199 五 糖代谢主要途径的相互联系 200 201