s糖酵解、糖异生和戊糖磷酸途径.ppt

1 糖酵解 糖异生和戊糖磷酸途径 糖酵解 糖酵解进入途径 厌氧条件下的丙酮酸去路 发酵 糖异生 葡萄糖氧化的戊糖磷酸途径 Glucoseoccupiesacentralpositioninmetabolism relativelyrichinpotentialenergy G o 2 840kJ mol remarkablyversatileprecursor eg E coli LW 1 2 3Ccompound Majorpathwaysofglucoseutilization inplants animals P28 1 部分自由能在糖酵解途径中以ATP NADH形式被保存 核糖 5 磷酸 丙酮酸 R5P NADPH AlthoughnottheonlypossiblefatesforGlc these3pathwaysarethemostsignificantintermsoftheamountofGlcthatflowsthroughtheminmostcells 3 糖酵解Glycolysis 概述 糖酵解分为两大阶段 准备阶段消耗ATP 收益阶段获得ATP和NADH 糖酵解可以严格调控 糖 酵解细胞质中通过一系列酶促反应将葡萄糖最终降解为丙酮酸并伴有ATP生成的全过程 发酵无氧条件下由葡萄糖等降解而生成乳酸或乙醇 Glc PyrsimilarasinGlycolysis LW 2 OttoF Meyerhof1884 1951 1922NPinPhys Med Embden MeyerhofPathway 4 G19 1 两阶段十步反应 前五步准备 后五步收益 三种重要转化类型 Glc碳链降解产生丙酮酸 6C 3C 释能形成高能磷酸化合物 ADP ATP 电子 H 转移 NAD NADH 1 概述 糖酵解可分为两大阶段 5 14 2a Thetwophasesofglycolysis 己糖阶段 消耗2ATP Continuefor2ndphase 6 14 2b 丙糖阶段 生成4ATP 2NADH 发酵还包括在无氧条件下由丙酮酸继续反应并最终生成乳酸或乙醇 7 Overallequationforglycolysis Glc 2NAD 2ADP 2Pi 2pyruvate 2NADH 2H 2ATP 2H2O 糖酵解可分为两段进程 Glc 2NAD 2pyruvate 2NADH 2H G 146kJ mol 2ADP 2Pi 2ATP 2H2O G 2x30 5 61kJ mol Gtotal 146 61 85kJ mol 在细胞内的实际 ATP ADP Pi Glc 和 pyruvate 条件下 糖酵解中释出的能量 withpyruvateastheendproduct 以ATP形式储存的效率 60 Note 大部分能量仍保存在丙酮酸中 Glc完全氧化成CO2 H2O G 2 840kJ mol 经由糖酵解转化成两分子丙酮酸时 G 146kJ mol 仅释出其总能量的 5 2 P28 3 细胞内条件下酵解基本不可逆 8 Glc磷酸化成G6P 己糖激酶 1stATP被消耗 不可逆 为后续反应激活Glc p526 keepingsomeenergyfromATP sbreakdown keepingGlcincell 己糖激酶主要分布在肝肾以外不能合成糖原的组织中 KmGlc 0 1mmol 专一性不强且为变构酶 G6P为其变构抑制剂 Glc激酶 glucokinase hexokinaseIV 主要在肝细胞 KmGlc 5 10mmol 专一性很强且不受G6P抑制 通常细胞内的 Glc 仅为4mmol 故只有当 血糖 很高时才能由Glc激酶在肝脏活化Glc以合成糖原 G6P G1P UDP Glc 亲核攻击 2 准备阶段消耗ATP 9 G15 1 己糖激酶作用时会发生明显的构象变化 诱导契合 与ATP的结合引发两个结构域相互靠近 8 使被结合的ATP与待结合的Glc更为接近 并相应阻断H2O进入活性位点水解ATP 己糖激酶活性需要Mg2 屏蔽ATP磷酰基的负电荷而使其末端P更容易受到Glc等的 OH亲核攻击 自学 自学 10 G6P异构化为F6P 磷酸己糖异构酶 醛 酮糖可逆异构反应 需要以开链形式进行 p526 C1羰基与C2羟基的重排是后两步反应进行的前提 磷酸化需要C1的羰基先转化成醇 形成 OH攻击ATP磷酰基 C3 C4的断裂则需要C2位有一羰基 利于负碳离子形成 11 吡喃葡糖开环 C2的H 移除促进顺 烯二醇中间物的形成 C2 OH的H 移除导致形成C O双键 呋喃果糖闭环 G19 3 磷酸己糖异构酶反应机制 碱性残基的交替广义酸 碱催化 酶活性位点碱性残基 人的磷酸葡糖异构酶对G6P高度专一 且活性需要Mg2 C1形成可攻击磷酰基的 OH 自学 自学 12 p526 F6P磷酸化成F 1 6 BP 磷酸果糖激酶 1 PFK 1 2ndATP被消耗 不可逆 调节点 PFK 1是变构酶 为酵解途径调节的关键反应 细胞能荷低可激活 能荷高则抑制 ATP抑制而AMP解除抑制 柠檬酸和F 2 6 BP分别为变构抑制剂和激活剂 1st调拨点F 1 6 BP只能进入酵解 亲核攻击 13 F 1 6 BP裂解成二羟丙酮磷酸和甘油醛 3 P 醛缩酶 可逆羟 醛缩合反应 C3 C4断开 p527 C3 C4连键裂解 尽管 G o意味着反应倾向于逆行 但由于磷酸丙糖在后续反应中不断被消耗而促使F 1 6 BP裂解 DHAP G3P 14 14 5 classIaldolasereaction animal plant 中C2羰基与E Lys形成带正电的亚胺 C N键 以稳定C3 C4断裂时暂时形成的负碳离子 释出1st产物后形成烯胺中间物 以 和 的逆过程水解亚胺并释出2nd产物 自学 15 14 6 磷酸丙糖互变异构 丙糖磷酸异构酶 只有G3P直接进入酵解后续反应 有效移除G3P可确保反应平衡有利于G3P的形成 最复杂的功能团 羰基 规定为C1 Reviewfor1stphase 提高代谢效率 16 G3P氧化生成1 3 BPG 以 H 形式移除并加载于NAD 以H 形式游离于溶液中 醛基氧化产生的自由能以酰基磷酸酯 G o 49 3kJ mol 的形式储存在C1上 可以转移至ADP生成ATP p529 G3P氧化放能 G 43kJ mol磷酸酐键形成吸能 G 49 3kJ mol G3P脱氢酶 1st步储能反应 醛脱氢成混合酸酐 3 收益阶段产生ATP和NADH 17 14 7 G3Pdehydrogenasereaction 硫半缩醛 硫酯 磷酸解 SH对底物的亲核攻击得到His的广义酸 碱催化促进 必须取代NADH以避免酵解终止 自学 自学 B 18 碘乙酸可抑制G3P脱氢酶 与酶活性部位的Cys SH形成共价结合的衍生物而使酶失活 p536 3rd H11 2 Box 砷酸能替代磷酸参与反应而生成1 砷酸 3 磷酸甘油酸 后者很不稳定而迅速水解 使G3P的氧化与ADP的磷酸化解偶联 潜在的致死反应 aswithheavymetalionseg Hg2 19 磷酸甘油酸激酶 以逆反应命名 1st步底物水平磷酸化 底物分子的高能磷酰基直接转移到ADP GDP而生成ATP GTP 反应仅涉及可溶性酶和化学中间物 和 为能量偶联过程 共同中间物为1 3 BPG G3P 醛 氧化为3 PG 酸 NAD 还原成NADH ADP磷酸化为ATP即 G3P ADP Pi NAD 3 PG ATP NADH H G o 12 2kJ mol p531 磷酰基从1 3 BPG转移给ADP 3 PG 20 3 磷酸甘油酸 3 PG 转化成2 磷酸甘油酸 2 PG 磷酸甘油酸变位酶 磷酰基在C3 C2之间可逆换位 p531 单磷酸甘油 酸 的标准水解自由能变化 G o 均不足以生成核苷三磷酸 21 14 8 phosphoglyceratemutasereaction animal yeast 在大多数细胞中 该酶活性部位的His残基在反应前均需先被少量2 3 BPG 引物 磷酸化 红细胞的 2 3 BPG 高达5mM 可调节Hb对O2的亲和性 该酶在植物中无需2 3 BPG中继 由3 PG直接将磷酰基转移到酶上 后者再将其转回C2生成2 PG 自学 22 2 PG脱水变位成磷酸烯醇式丙酮酸 PEP 烯醇化酶 2 PG的脱水导致分子内能量重新分布 2 PG和PEP的磷酰基水解 G o具有很大差值 2 PG 17 6kJ molPEP 61 9kJ mol 足以在下步反应中合成ATP p532 23 自学 Two stepreactioncatalyzedbyenolase Lys345碱催化移除H 烯醇化中间物由Mg2 稳定Glu211酸催化促进移除 OH F 为烯醇化酶的强抑制剂 可在活性位点形成FPO32 Mg2 复合物而使酶失活 6 23 24 磷酰基从PEP转移给ADP 丙酮酸激酶 2nd步底物水平磷酸化 丙酮酸先形成烯醇式 随即快速互变异构成更为稳定的酮式 不可逆 调节点 PEP水解放能 G o 61 9kJ molATP生成吸能 G o 30 5kJ mol p532 cf Fig 10 5 10 6 25 总输入 Glc 2ATP 2NAD 4ADP 2Pi总输出 2pyruvate 2ADP 2NADH 2H 4ATP 2H2O 总反应 Glc 2NAD 2ADP 2Pi 2pyruvate 2NADH 2H 2ATP 2H2O 碳骨架转化 1Glc 2pyruvate 磷酰基转移 2ADP 2Pi 2ATP e 转移 4e as2 H 从2G3P转移至2NAD 净ATP生成来自 底物水平磷酸化 NADH在有氧条件下可经由呼吸链再氧化 P28 17 Pasteureffect Glc消耗率和总量在无氧条件下均要明显高于有氧时的 氧对发酵作用的抑制 4 酵解反应总平衡有ATP净盈利 cf p284 26 小结 糖酵解 糖酵解是一种广泛存在于生物界的Glc降解途径 可以将Glc氧化成两分子丙酮酸 并将释出的能量储存在ATP和NADH中 10种酵解酶都分布在胞液中 所有中间物均为3C 6C的磷酸盐化合物 LW 3 自学 27 准备阶段要消耗2ATP将Glc转化成F 1 6 BP 随后C3 C4连键被断裂而生成两分子磷酸丙糖 收益阶段两分子G3P于C1位氧化 释出的能量被储存在2NADH和2ATP中 自学 催化大而负标准自由能变化的三种激酶可经由别构调节控制该途径的碳流量 保证适宜的ATP供应以及维持各中间代谢物浓度的稳定 28 14 9 糖酵解进入途径 海藻糖Glc 1 1 乳糖 半乳糖 蔗糖 甘露糖 其他单糖可通过若干位点进入糖酵解 寡糖 二糖被水解成单糖 糖元 淀粉经由磷酸解降解 肝脏 糖元 淀粉 29 14 10 糖元 淀粉磷酸化酶催化的磷酸解反应 催化Pi对连接非还原端最后两个Glc残基的 1 4 糖苷键进行攻击 通过磷酸解将糖苷键中的部分能量保存在G1P的磷酸酯键中 磷酸化酶可反复作用至接近某个 1 6 分支点而停止催化 再由脱支酶移除其分支 Amylase均为 糖苷酶 对 糖苷键无效 但 型为淀粉内切酶而 型为淀粉外切酶 30 Catabolicfatesofpyruvateformedinglycolysis 14 3 厌氧条件下的丙酮酸去路 发酵 再生出继续酵解所必需的NAD 依据氧气供应条件的不同 糖酵解中生成的丙酮酸有三种主要代谢途径 31 p538a 丙酮酸是乳酸发酵中的最终电子受体 剧烈运动时骨骼肌 红细胞生成的乳酸在运动后恢复期间可经由血液进入肝脏而转化成Glc Coricycle 虽然Glc的乳酸发酵没有NAD NADH的净变化 但仍可在不消耗O2的情况下净得2ATP 乳酸脱氢酶 32 p538b 乙醇是酵母等微生物发酵的还原产物 脊椎动物和一些能进行乳酸发酵的微生物均缺乏该酶 硫胺素焦磷酸 紧密结合的辅酶 cf Fig 10 10 乙醇脱氢酶 Zn2 在所有发酵反应中 反应物和产物的H C比值均保持不变 丙酮酸脱羧酶 仅获取能量而不消耗氧或改变 NAD NADH 的代谢过程 33 LW 4 糖异生Gluconeogenesis Apathwayconvertingpyruvateandrelated3C 4CcompoundstoGlc 维持机体血糖稳态所必需 人体空腹血糖70 110mg dl 体液仅载有 20gGlc 正常成人消耗 160g d糖原储存总量 肝 肾 180 200g 某些组织器官以Glc为惟一或主要能源红细胞 无线粒体 脑 肾髓质 睾丸 眼晶状体等心脏输出总血量的1 5 1 4进入脑 后者每天需消耗约120gGlc 75 广义指以简单前体为原料合成碳水化合物 广泛存在于生物界 但通常特指动物组织尤其是肝脏发生的从非己糖前体合成葡萄糖的全过程 糖异生主要发生在肝 肾 激素调节降血糖 胰岛素升血糖 胰高血糖素 糖皮质激素和肾上腺素等 34 14 15 无论动物还是植物 PEP G6P均为不同前体生物合成糖类的通用途径 只有植物和光合细菌能够将CO2转化成糖类 用简单前体合成糖类 rawmaterialsforgluconeogenesis 35 14 16 Opposingpathwaysofglycolysisandgluconeogenesisinratliver 糖异生 糖酵解 绕行2 绕行3 绕行1 糖酵解和糖异生途径中的大多数反应都基本可逆 绕开激酶催化的三个能障就能使非糖物质转化成糖类 哺乳类肝 肾 36 这两步连续发生的羧化 脱羧反应是丙酮酸的活化机制 草酰乙酸的脱羧可促进PEP生成 线粒体 胞液 绕行1丙酮酸羧化支路 丙酮酸羧化为草酰乙酸 反应机制 P36 11 草酰乙酸脱羧并磷酸化成PEP 苹果酸穿梭 总反应为 丙酮酸 ATP GTP PEP ADP GDP Pi PEP羧激酶 磷酰基供体 生物素 辅基 丙酮酸转运酶 H 丙酮酸羧化酶 乙酰 CoA激活 37 Enz Roleofbiotininpyruvatecarboxylasereaction 14 18 辅基生物素经由酰胺键共价结合于羧化酶Lys NH2 在ATP参与下 HCO3 以CO2形式于活性位点1与生物素环上的N1结合成羧基生物素 由Lys侧链和生物素形成的长臂将活化羧基移动到活性位点2并释出CO2 随即与丙酮酸反应生成草酰乙酸 蛋清中的avidin对生物素有很高的亲和性 是含生物素酶的特异性抑制剂 自学 磷酰基供体 cf Fig 13 21 不稳定的烯醇式 甲基负碳离子 38 14 19 AlternativepathsfrompyruvatetoPEP 同工酶 同工酶 105lowerthaninmitoch usedfor1 3 BPG G3P 以丙酮酸为原料进行糖异生时需要采用苹果酸穿梭方式绕行 并维持胞液中NADH合成与消耗之平衡 以乳酸为原料进行糖异生时 因其在胞液中转化为丙酮酸即可生成NADH 故无需经由苹果酸中介而直接输出PEP 由不同基因编码的同工酶可催化同一反应 但其细胞内分布或代谢作用不同 eg LDH 自学 Lactate cf Fig 13 22 39 绕行2和3均为磷酯键水解 14 16a G6P酶 G o 13 8kJ mol 脑 肌细胞无该酶 F 1 6 BP酶 G o 16 3kJ mol 40 Coricycle cf Fig 13 23 G23 10 生理意义 利用乳酸分子的能量以避免其损失 及时将乳酸转化以防止其在组织中堆积而引发酸中毒 以乳酸形式将酵解产生的丙酮酸和还原当量从肌肉转移到肝脏以进行糖异生 CarlF Cori1896 1984 GertyT Cori1896 1957 1947NPinPhys Med 41 糖异生是必需的耗能反应 如此高的能量投入显然意味着糖异生并非糖酵解的简单逆转 T14 3 自学 42 G28 2 Substratecyclesareusuallypreventedbyreciprocalregulatorycontrols Reciprocalregulationofgluconeogenesis glycolysis 绕行2 糖酵解 糖异生 自学 cf Fig 13 24 43 LW 5 小结 糖异生 糖异生为普遍存在于生物界的多反应途径 可以将丙酮酸或相应的3C化合物如乳酸和Ala等转化成Glc 糖酵解的三步不可逆反应需由相应的特殊酶催化绕行 以丙酮酸为前体合成Glc需消耗4ATP 2GTP和2NADH 肝 肾进行的糖异生为大脑 肌肉和红细胞等提供血糖 丙酮酸羧化酶能被乙酰 CoA激活 因而在细胞有充足的其他产能底物如FA供应时可加速糖异生的进行 糖酵解和糖异生可经由反向调节以避免同时高速运行 44 葡萄糖氧化的戊糖磷酸途径 pentosephosphatepathway PPP途径 orHMP HMS 场所 胞液氧化特征 辅酶NADP 重要产物 NADPH不进入呼吸链产能 良好的还原剂 R5P参与核苷酸合成 LW 6 组织匀浆中加入碘乙酸 氟化钠后仍有Glc消耗 14C标记发现Glc的C1比C6更容易被氧化 10 15 Glucose 45 14 20 PPP途径可分为两大阶段 氧化阶段G6P 2NADP H2O R5P 2NADPH 2H CO2 非氧化阶段3R5P 2F6P G3P 生成的NADPH可用于还原谷胱甘肽及参与还原性生物合成 R5P为核苷酸和重要辅酶的构建组分 核酸合成需求减少时可经由该阶段再生G6P以循环利用 46 1 G6P脱氢 G6P脱氢酶 G6PD C1氧化 NADP e 受体 产物 6 P 葡糖酸 内酯 C1 C5的分子内酯 可被NADPH别构抑制2 内酯水解 内酯酶 产物 6 P 葡糖酸 游离酸 P29 11 Pentosephosphatepathway oxidativestage 限速且不可逆 47 3 6 P 葡糖酸的脱氢及脱羧 6 P 葡糖酸脱氢酶先脱氢成3 keto 6 P葡糖酸 NADP e 受体 C1的COO 随即被移除 产物 D 核酮糖 5 P4 核酮糖 5 P异构化 磷酸戊糖异构酶 产物 D 核糖 5 P R5P 酮戊糖转化为醛戊糖 PPP途径可以就此结束 但在需要NADPH而不是R5P时 后者即可经由一系列碳架重排反应而再生成G6P以循环利用 P29 12 Pentosephosphatepathway oxidativestage C3脱氢 48 14 22a Pentosephosphatepathway nonoxidativestage 木酮糖 赤藓糖 转酮酶 转醛酶 转酮酶 2Cunit转醛酶 3Cunit供体 ketose受体 aldose G3P G6P R5P 异构酶 差向异构酶 C3 景天庚酮糖 F6P 核酮糖 5 P glycolysis etc oxidativestage cf p149 49 14 22b 从6个戊糖 5C 转化成5个己糖 6C 每步反应均可逆 asinphotosynthesis 生理意义 通过一系列分子重排和基团转移反应将氧化阶段生成的多余核糖经由F6P和G3P等再生G6P以避免核糖堆积 Pentosephosphatepathway nonoxidativestage 50 G6P可在糖酵解和戊糖磷酸途径之间分流 14 27 G6P主要进入哪条途径要取决于细胞当时的需求以及胞液中的 NADP NDAPH 抑制G6PD 还原性合成反应加速时 NADP 升高 激活G6PD 使G6P主要进入PPP途径 NADPH富余时将抑制G6PD 使G6P主要进入糖酵解途径 51 反应速率受NADPH的别构抑制 调节酶是G6PD 转酮酶和转醛酶反应均可逆 因而不需要R5P时可将其转化为酵解中间物 需要时则可由后者再生 LW 7 小结 戊糖磷酸途径 主要产物为R5P和NADPH 前者是核苷酸等重要生物分子的构建组分 后者可为多种生物同化反应如FA合成提供还原力 故该途径在脂肪 乳腺和肾上腺皮质等组织和生长中的细胞非常活跃 主要反应分为两个阶段 氧化阶段G6P氧化脱羧转化为R5P并产生2NADPH非氧化阶段6R5P经由分子重排和基团转移再生出5G6P 52 复习题 p120 127 一 选择1 3 5 9 12 14 15 18 19 22 24 37 39 45 50 53 54二 名词解释1 4 6 10 19 21 22 26三 判断1 3 7 11 15 19 21 24 25 27 29 30 36四 问答1 4 5 9 11 14 17 20 24 26 30 53 1 若以14C标记葡萄糖的C 3作为酵母的底物 经发酵产生CO2和乙醇 试问14C将在何处发现 2 试总结磷酸基团在糖酵解过程中参与了哪些反应 这些反应有何意义 3 为什么说砷酸是糖酵解作用的毒物 氟化物和碘乙酸对糖酵解过程有何作用 4 试计算从丙酮酸合成葡萄糖需要提供多少个高能磷酸键 需要给出具体反应 5 试分析糖酵解 戊糖磷酸途径和糖异生反应之间是如何相互联系的 作业 54 法国微生物学及化学家 近代微生物学奠基人 毕生进行了多项探索性研究并均取得重大成果 是19世纪最有成就的科学家之一先后证明了三大科学问题 每种发酵作用都是由于某种微菌的发展所致 而适当加热即可杀灭这些恼人的微生物 是为巴斯德杀菌 消毒法 每种传染病均由某种微菌在生物体内的发展而引发 进而因发现和根除了一种侵害蚕卵的细菌而拯救了法国的丝绸工业 传染病的微菌在特殊培养条件下可减轻毒力 使之转变成可以防病的疫苗 并由此而建立起传染病的细菌理论 Pasteur LouisPasteur 1822 1895 自学 55 研究酵母发酵时Pasteur发现 在供氧充足的条件下 细胞内糖酵解作用受到抑制 葡萄糖消耗和乳酸生成减少 这种有氧氧化对糖酵解的抑制作用即称为巴斯德效应 Pasteureffect 产生巴士德效应主要是由于在供氧充足的条件下 细胞内的ATP ADP比值升高 抑制了PK和PFK 使6 磷酸果糖和6 磷酸葡萄糖含量增加 后者反馈抑制已糖激酶HK 使葡萄糖利用减少 呈现有氧氧化对糖酵解的抑制作用 Crabtree 反巴斯德效应与之相反 在癌细胞发现给予葡萄糖时不论供氧充足与否都呈现很强的酵解反应 而糖的有氧氧化受抑制 该现象较普遍地存在于癌细胞中 此外也存在于一些正常组织细胞如视网膜 睾丸 颗粒白细胞等 一般认为 具有Crabtree效应的细胞 其酵解酶系 如PK PFK HK 活性强 而线粒体内氧化酶系如细胞色素氧化酶活性则较低 在争夺ADP Pi及NADH H 方面其线粒体必然处于劣势 因而缺乏进行氧化磷酸化的底物 因此 即使在供氧充足时 其有氧氧化生成ATP的能力仍低于正常细胞的 故呈现Crabtree效应 自学