1、第十章 糖代谢,第一节 糖酵解(Glycolysis ),1897年 Buchner兄弟发现酵母汁可以使蔗糖发酵 1906年 Harden和Young发现酵解需要无机磷的 参与 1940年 Embden和Meyerhof发现肌肉中存在类 似发酵的过程 1941年 Lipmann和Kalckar 阐明糖酵解的全过程,在无氧的条件下，葡萄糖分解形成2分子丙酮酸并释放出能量的过程，称为糖酵解。,一、糖酵解的准备阶段,1 . 葡萄糖的磷酸化,(己糖激酶),肝细胞中存在的葡萄糖激酶对葡萄糖有特异活性。,己糖激酶与葡萄糖结合时构象的变化,2. 6-磷酸葡萄糖异构化为6-磷酸果糖,(磷酸葡萄糖异构酶),3.
2、 F-6-P磷酸化成F-1,6-2P,磷酸果糖激酶(PFK-1)是糖酵解的限速酶，该反应是整个反应最主要的调控位点。该酶活受ATP和H+的抑制，受AMP、ADP的激活。F-2,6-2P是该酶最强的激活剂。,(磷酸果糖激酶-1),4. F-1,6-2P的裂解,醛缩酶,3,2,1,6,5,4,5. 磷酸三碳糖的转化,磷酸丙糖异构酶,6,5,4,葡萄糖的碳骨架与三碳糖碳骨架的关系,To sum up: In the preparatory phase of glycolysis the energy of 2 ATPs is invested, raising the free-energy con
3、tent of the intermediates, and the carbon chains of all the metabolized hexoses are converted into a common product, glyceraldehyde-3-phosphate.,6 . 3-磷酸甘油醛氧化成1,3-二磷酸甘油酸,(三磷酸甘油醛脱氫酶),这是第一次产生高能磷酸化合物的反应。,二、 糖酵解的放能阶段,3-磷酸甘油醛脱氫酶的催化机制,碘乙酸对3-磷酸甘油醛脱氫酶的抑制,砷酸盐能使该步反应生成3-磷酸甘油酸而不是1,3-二磷酸甘油酸，导致葡萄糖氧化放出的能量不能用于合成ATP
4、， 所以砷酸盐起着解偶联剂的作用。,7. 3-磷酸甘油醛将磷酰基转移给ADP形成ATP,(磷酸甘油酸激酶),这是糖酵解中第一次通过底物水平磷酸化产生ATP的反应。,8. 3-磷酸甘油酸转变成2-磷酸甘油酸,(磷酸甘油变位酶),中间经过形成2,3-二磷酸甘油酸中间体的过程。,Mechanism of the phosphoglycerate mutase reaction,9. 2-磷酸甘油酸脱水形成磷酸烯醇式丙酮酸,(烯醇化酶),Mg+,烯醇化酶要先与2价阳离子形成一个复合物才有活性。,10. 磷酸烯醇式丙酮酸将磷酰基转移给ADP,(丙酮酸激酶),这是糖酵解中的第二次底物水平磷酸化反应。丙酮酸
5、激酶是别构酶，长链脂肪酸、乙酰CoA、ATP等能抑制该酶的活性，F-1,6-2P能活化此酶。,互变异构,In the sequential reactions of glycolysis, three types of chemical transformation are particularly noteworthy: (1) the degradation of the carbon skeleton of glucose to yield pyruvate, (2) the phosphorylation of ADP to ATP by high-energy phosphate c
6、ompounds formed during glycolysis, (3) the transfer of hydrogen atoms or electrons to NAD+, forming NADH.,葡萄糖+ 2ATP + 2NAD+ + 4ADP + 2Pi 2 丙酮酸+ 2ADP + 2NADH + 2H+ + 4ATP + 2H2O,糖酵解的总反应式：,葡萄糖+ 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2 丙酮酸+ 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O,糖酵解的净反应式：,生理条件下，糖酵解的酶更可能是以复合物的形式存在。,三、丙酮酸的去路,1. 生成乙酰CoA,
7、在有氧条件下，丙酮酸进入线粒体变成乙酰CoA，后者经过三羧酸循环最终氧化生成CO2和H2O。,2. 生成乳酸(乳酸发酵),葡萄糖2Pi2ADP 2乳酸2ATP+2H2O,(C6H12O6),(C3H6O3),(乳酸脱氫酶),3. 生成乙醇(酒精发酵),(丙酮酸脱羧酶),(乙醇脱氫酶),葡萄糖+ 2ADP + 2Pi 2 乙醇+ 2CO2 + 2ATP + 2H2O,An industrial-scale fermentation,四、代谢的调节,1. 序列反应的调节,2. 对分枝反应的调节,A,B,C,D,E,F,G,H,I,3. 对可逆的反应的调节,葡萄糖,3-磷酸甘油醛,丙酮酸,糖酵解,糖
8、异生,乳酸,1. 己糖激酶的调控 己糖激酶的Km值为0.1mM，而通常血液中的葡萄糖浓度为45mM，所以己糖激酶总是处于被饱和的状态。进食后，主要由葡萄糖激酶(Km值为10mM)催化血液中葡萄糖的代谢。 己糖激酶的活性受到其产物即G-6-P的别构抑制。,2. 磷酸果糖激酶(PFK-1)的调控 ATP是PFK-1的变构抑制剂，使PFK-1对底物G-6-P的亲和力降低，但这种抑制作用可以被AMP、ADP逆转； 柠檬酸可增加ATP对PFK-1的抑制作用，因为高浓度的柠檬酸表示生物合成前体的碳骨架过剩，是生物合成开始的信号。 F-2,6-2P是PFK-1最强的变构激活剂，作用是与AMP一起消除ATP、
9、柠檬酸对PFK-1的抑制作用。 F-2,6-2P是在PFK-2催化下，由F-6-P生成。,ATP对PFK-1的变构调节作用,F-6-P,F-2,6-2P,ATP,ADP,F-2,6-2P激酶 (PFK-2),F-2,6-2P磷酸酶,H20,Pi,F-2,6-2P的合成和分解,3. 丙酮酸激酶的调控 这是催化糖酵解中第三个不可逆的反应的酶，其活性受到高浓度ATP的变构抑制，ATP使之与底物磷酸烯醇式丙酮酸的亲和力下降；该酶的活性还能被乙酰CoA、长链脂肪酸等生物体内的燃料分子所抑制。,糖、脂类、蛋白质经细胞呼吸分解代谢的三个步骤,第二节 三羧酸循环 (the Citric Acid Cycle)
10、,1. 丙酮酸的氧化脱羧生成乙酰CoA和CO2,(丙酮酸脱氢酶复合物),Mg2+,催化该反应的是丙酮酸脱氢酶复合物，它是由3种酶和6种辅助因子组装而成的复杂的多酶体系。 3种酶： 丙酮酸脱羧酶(E1)、 二氢硫辛酸乙酰转移酶(E2) 二氢硫辛酸脱氢酶(E3)； 6种辅助因子： 焦磷酸硫胺素(TPP)、 FAD、NAD+、CoA、 硫辛酸、Mg2,E.coli丙酮酸脱氢酶复合物的电镜照片,辅酶A(CoA)的结构,泛酸,硫辛酸与E2通过共价键结合,丙酮酸氧化脱羧成乙酰CoA的反应步骤,2 三羧酸循环(柠檬酸循环、Krebs循环), 乙酰CoA和草酰乙酸缩合形成柠檬酸,(柠檬酸合成酶),柠檬酰CoA
11、中间体,这是三羧酸循环中的第一个不可逆的限速步骤。,柠檬酸合成酶的构象a: 结合底物前 b：结合底物后, 柠檬酸经顺乌头酸异构化为异柠檬酸,柠檬酸的前手性特性,顺乌头酸酶的Fe-S中心, 异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸,(异柠檬酸脱氢酶),这是三羧酸循环的第一个氧化反应，第一次脱羧的反应，也是第二个不可逆的反应。,4. -酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA,(-酮戊二酸脱氢酶复合物),TPP,FAD,硫辛酸,Mg2+,这是三羧酸循环中第三个不可逆的调控反应，也是发生第二次脱羧和第二次氧化还原的反应。,5. 琥珀酰CoA转化成琥珀酸,(琥珀酰CoA合成酶),这是三羧酸循环中唯一一次底物水平磷酸化反
12、应，-酮戊二酸氧化放出的能量转化到ATP/GTP中。,琥珀酰辅酶A合成酶反应的中间过程,6. 琥珀酸氧化成延胡索酸,(琥珀酸脱氢酶),这是三羧酸循环中的第三次氧化还原反应。,丙二酸,柠檬酸,7. 延胡索酸水化生成苹果酸,(延胡索酸酶),延胡索酸,马来酸,L-苹果酸,D-苹果酸,8. 苹果酸氧化生成草酰乙酸,(苹果酸脱氢酶),这是三羧酸循环中的第四次脱氢反应。,Summary:,1. 进入循环的乙酰基的两个碳以两个CO2的形式释放出来，但CO2的C并不来自乙酰基，而是来自草酰乙酸； 2. 一次循环只有一次底物水平磷酸化，产生一个ATP，但四次脱氢产生的H(三次以NADH的形式，一次以FADH2的
13、形式)通过呼吸链和氧化磷酸化作用就可以产生大量的ATP；,20/2,25/2,三羧酸循环是物质代谢的枢纽,三羧酸循环的调节： 丙酮酸脱氢酶复合物的调节 a: 产物及能量的变构调节： 当 ATP/ADP、NADH/NAD+和acetylCoA/CoA 比例升高时，表示细胞中的能量和物质过剩，酶活性被抑制；当比例下降时，酶则被变构激活； b： 可逆磷酸化作用的共价调节 脱氢酶复合物的E1上特定地Ser可被磷酸激酶磷酸化而使整个酶的活性降低；这个磷酸基再被磷酸化酶水解后，酶活性又可以恢复。, 三羧酸循环的调控： 决定三羧酸循环的速度的因素有以下三个： a 底物的可用浓度 b 产物的堆积造成的抑制 c 代谢产物对酶的反馈性的变构抑制,所以乙酰CoA、草酰乙酸的浓度变化可以影响三羧酸循环的速度。,所以NADH+的堆积，NADH/NAD+ 比例的升高，可以抑制异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶的活性。,如ATP对柠檬酸合成酶和-酮戊二酸脱氢酶的变构抑制。,三羧酸循环的调控,
