基因工程上课糖代谢

1、基因工程上课糖代谢第一节 新陈代谢的一般概念 新陈代谢细胞内进行的所有化学反应的总称。包括（1）分解代谢自生的或从外界摄取的蛋白质、脂肪和碳水化合物等有机大分子氧化降解为简单小分子，同时伴随作能量的释放的过程。释放能量的相当一部分常以ATP（为主）、FADH2、NADH（可通过呼吸链产生ATP）和NADPH（主要作为还原性生物合成反应的原动力，即还原力）等形式被捕获；（2）合成代谢以小分子前体为原料合成复杂的生物大分子的过程。分解代谢和合成代谢基本上采取不同的途径，往往是在不同的细胞分隔中进行。但也有一些代谢环节是可共同利用的，故将可共用的代谢环节称为两用代谢途径。柠檬酸途径是典型的例子。 第

2、1页/共72页葡萄糖CO2+H2O过程的能量释放第2页/共72页代谢途径概述第3页/共72页新陈代谢中的主要化学反应 氧化还原反应通常由脱氢酶和氧化酶催化。 如： C-C键的形成和断裂是分解代谢与合成代谢的基础反应过程。如合成代谢中的C-C键的形成涉及到亲核的负碳离子对亲电的正碳离子的进攻。 分子重排、异构化和消除反应 如分子重排： 消除反应： 基团转移反应主要包括酰基、糖基、磷酸基等的转移。常表现为亲电子基团（如A）从从一个亲核体（如X?）转移到另一个亲核体（如Y? ）。 如： 第4页/共72页第二节 新陈代谢的调控及研究方法 新陈代谢的调控包括（1）分子水平酶水平的调控；（2）细胞水平的调

3、控；（3）整体水平的调控。酶水平的调控 包括酶活性的调控、酶浓度的调控和酶水平的其他方面的调节 酶活性的调控常见方式有变构调节（别构酶多为代谢途径的第一、二个酶或分支点处的酶）、共价调节（有磷酸化/去磷酸化、腺苷酰化/脱腺苷酰化等，前者在信号转导途径中最常见，后者是细菌中的另一种重要方式)。特点：调节酶活性的大小或有无，调节快速、灵敏，属细调。 酶浓度的调控包括合成调节（涉及到基因表达调控）和降解调节两类。特点：调节酶数量的增减，属粗调。 酶水平的其他方面的调节包括酶的组织形式调控（游离状态、多酶复合物、膜上的有序分布等不同的组织形式使得代谢速率可有较大差别）和相反途径的协同调控（即一条途径的

4、激活加速必然伴随另一条相反途径的减慢和关闭）第5页/共72页酶活性的变构调节 前馈和反馈代谢（中间）底物对代谢（中间）产物的效应称为前馈；代谢产物对前面的代谢（起始或分支点处）底物的效应称为反馈。如效应为正，使代谢速度 ，则称为激活，反之称为抑制。反馈抑制是最常见的形式。 反馈抑制的常见类型 线形通路的反馈抑制 逐步反馈抑制 同功酶的调节 第6页/共72页 协同反馈抑制 举例： 天冬氨酸代谢的同功酶调节第7页/共72页酶活性的共价调节 定义：指被修饰酶的特定氨基酸残基在酶催化下发生可逆共价修饰，从而改变酶活性的调节作用。又称为酶的化学修饰。主要有磷酸化/脱磷酸（最常见）、乙酰化/脱乙酰、腺苷化

5、/脱腺苷、甲基化/脱甲基。第8页/共72页蛋白激酶的调节作用第9页/共72页指由于细胞内膜系统的分隔形成的不同区域（线粒体、叶绿体、内质网、细胞核、溶酶体等）而使得不同代谢过程可以在不同的亚细胞结构区域中有条不紊的进行。代谢的调节在分隔中进行，并与细胞整体的生命活动保持协调。这对于细胞的正常的生命活动过程非常必要。 举例 胞液：糖酵解途径、脂肪酸合成 线粒体：三羧酸循环、呼吸链、 -氧化 叶绿体：光合作用 细胞水平的调节第10页/共72页代谢途径的形式a. 自由扩散（氨基酸合成） b. 膜上进行（三羧酸循环） c. 多酶复合物（脂肪酸合成）第11页/共72页整体水平的调节 主要指由激素和神经介

6、质引起的对生物体的整体调节作用，包括细胞间、细胞内的调节过程等。已在激素和细胞信号转导一章中介绍。第12页/共72页第九章第九章 糖代谢糖代谢 第一节 糖酵解（EMP） 第二节 葡萄糖异生作用 第三节 柠檬酸循环（TCA循环） 第四节 磷酸戊糖途径（PPP） 第五节 糖原的代谢第13页/共72页糖酵解 定义指一分子葡萄糖转变为2分子丙酮酸的一系列酶促反应过程。（广义概念） 代谢途径反应主要分为途经的第一阶段（5步反应，1分子葡萄糖转变为2分子的甘油醛-3-磷酸。特点：需能过程，消耗2分子ATP）、途经的第二阶段（5步反应， 2分子甘油醛-3-磷酸2分子丙酮酸。特点：放能过程，生成4分子ATP）

7、。 总反应式： 葡萄糖+2ADP+2Pi+2NAD+ 2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H+2H2O 丙酮酸的去向包括（1）有氧条件下，转化为乙酰CoA，进入TCA循环或用于其它大分子物质的合成反应；（2）无氧条件下，进行发酵，产物多种，取决于生物类型等。第14页/共72页糖酵解途径第15页/共72页糖酵解途径（1）第16页/共72页糖酵解途径（2）第17页/共72页肝脏种G-6-P的中心作用第18页/共72页糖酵解的调控 糖酵解的调控位点有三个：己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶。 己糖激酶/葡萄糖激酶肌肉细胞中己糖激酶受G-6-P的反馈抑制，肝细胞中葡萄糖激酶无此反馈抑制，但受血糖水平调控

8、。此外，长链脂酰CoA（别构抑制）。 磷酸果糖激酶（PFK）PFK1催化G-6-P1,6-FBP，是EMP的限速酶，调节物：ATP（高浓度）和柠檬酸，AMP、ADP和2,6-FBP。 丙酮酸激酶有同工酶。（1）别构调节调节物：ATP、乙酰CoA和长链脂肪酸（对所有形式的同工酶）， 2,6-FBP；（2）共价调节 肝细胞的丙酮酸激酶（L型）受磷酸化调节，血糖胰高血糖素cAMPPKA丙酮酸激酶（L型）磷酸化失活EMP，糖异生。丙酮酸激酶（L型）去磷酸化酶活 EMP。第19页/共72页糖酵解途径的调控第20页/共72页胰高血糖素（胰高血糖素（GlucagonGlucagon）对肝脏糖酵解的效应）对肝

9、脏糖酵解的效应第21页/共72页磷酸果糖激酶(PFK)调控位点（1）第22页/共72页糖酵解的生理意义 EMP是单糖分解代谢的一条最重要的基本途径。 EMP能提供能量使机体或组织有效地适应缺氧情况。 EMP是在正常氧供应情况下，某些组织或细胞的主要获能方式。如无线粒体的红细胞，代谢活跃的白细胞和骨髓细胞。 EMP是葡萄糖完全氧化分解成二氧化碳和水的必要准备阶段。第23页/共72页糖异生与糖酵解的比较（左）糖酵解；（右）糖异生糖异生中除了要绕过糖酵解中的三步不可逆反应外，其余都是糖酵解的可逆反应。糖异生中的三步不可逆反应过程是：（1）丙酮酸羧化酶和PEP羧激酶协同完成丙酮酸草酰乙酸 PEP（2）

10、果糖-1,6-二磷酸酶催化1,6-FDP F-6-P（3）葡萄糖-6-磷酸酶催化G-6-P G糖异生（2丙酮酸G）的能量消耗：6个高能键。不同起始底物的糖异生的能量消耗随经过的代谢途径的差异而不同。第24页/共72页糖异生途径第25页/共72页糖异生作用与糖酵解的协同调控糖异生作用与糖酵解的协同调控 EMP 糖异生 ，反之亦然。两条途径是通过三个不可逆反应的调节酶的调节（见前述）进行的。此外2,6-FDP参与调控。 2,6-FDP参与的调控机制 PFK-1催化EMP中的F-6-P1,6-FDP，PFK-2则催化F-6-P2,6-FDP。2,6-FDPPFK-1和EMP ，FBPase-1和糖异

11、生 。 FBPase-1催化1,6-FDPF-6-P，而FBPase-2催化2,6-FDPF-6-P。 PFK-2+ATPFBPase-2+ADP，cAMP-PK激活正向反应。 血糖 胰高血糖素 FBPase-2 2,6-FDP PFK-1和EMP ，糖异生 血糖 ； 血糖 胰岛素 蛋白的脱磷酸 PFK-2 2,6-FDP PFK-1和EMP ，糖异生 血糖 。第26页/共72页肝脏中糖酵解和糖异生的调控肝脏中糖酵解和糖异生的调控第27页/共72页丙酮酸的去路丙酮酸的去路 无氧条件下丙酮酸的去路 1. 生成乳酸 乳酸脱氢酶催化丙酮酸乳酸，需一分子NADPH+H+ 2. 生成乙醇 丙酮酸乙醛乙醇

12、，分别由丙酮酸脱羧酶、乙醇脱氢酶催化，需一分子NADPH+H+ 此外，随微生物菌株和营养环境条件的不同，厌氧发酵的产物还有多种。如丙二醇、乙酸、甘油、丁醇、丁酸、异丙醇等。 有氧条件下的丙酮酸的去路 生成乙酰辅酶A，进入TCA循环第28页/共72页丙酮酸脱氢酶复合物E1:丙酮酸脱氢酶 E2:二氢硫辛酰转乙酰基酶 E3:二氢硫辛酰脱氢酶第29页/共72页丙酮酸脱氢酶复合物E1:丙酮酸脱氢酶 E2:二氢硫辛酰转乙酰基酶 E3:二氢硫辛酰脱氢酶第30页/共72页丙酮酸脱氢酶的调控 1. 别构调节ATP、NADH、乙酰CoA和脂肪酸， AMP、coASH和NAD(+)。 2. 共价调节酶的脱磷酸化为活

13、性态，酶的磷酸化为失活态，相互转变由特定的蛋白激酶控制。第31页/共72页丙酮酸脱氢酶复合物的调控（1）第32页/共72页丙酮酸脱氢酶复合物的调控（2）第33页/共72页TCATCA循环循环第34页/共72页三羧酸循环中加入的三羧酸循环中加入的2C2C单位的命单位的命运运第35页/共72页三羧酸循环的调控 三羧酸循环的调节主要体现在两个水平上： 1. 底物的可用性调节乙酰CoA水平对丙酮酸氧化和TCA循环都有重要调控作用。草酰乙酸的水平对TCA循环的速度也有重要影响。 2. 乙酰CoA进入柠檬酸循环的调节取决于三羧酸循环的三个调节酶：（1）柠檬酸合酶柠檬酸、ATP、NADH和琥珀酰CoA，AD

14、P。（2.）异柠檬酸脱氢酶ATP、NADH，ADP和Ca2+。（3） 酮戊二酸脱氢酶琥珀酰CoA和NADH，Ca2+。第36页/共72页第37页/共72页E.Coli异柠檬酸脱氢酶的共价修饰调节第38页/共72页TCA循环的调控 表示激活 表示抑制 表示反馈第39页/共72页三羧酸循环的生理意义 1. TCA循环是生物机体获得能量的主要途径； 2. TCA循环是有机物质完全氧化的共同途径； 3. TCA循环是分解代谢和合成代谢途径的枢纽； 4. TCA循环产生的CO2，其中一部分排出体外， 其余部分供机体生物合成需要。第40页/共72页葡萄糖代谢的能量（ATP）生成第41页/共72页TCA循环

15、的回补反应 当TCA循环的中间产物被抽走用于其它物质的合成时，为了保证TCA循环的正常进行，必须通过其他反应来补充中间产物的消耗，这些反应被称为回补反应。回补反应的常见类型有： 1. 丙酮酸羧化生成草酰乙酸 丙酮酸+ATP+CO2+H2O草酰乙酸+Pi+ADP 丙酮酸羧化酶催化，乙酰CoA。 2. 磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）羧化生成草酰乙酸 PEP+CO2+GDP草酰乙酸+GTP PEP羧激酶催化该反应 3. 丙酮酸羧化生成苹果酸 丙酮酸+CO2+NADPH+H(+) 苹果酸+NADP(+) 苹果酸酶催化 该反应 4. PEP羧化生成草酰乙酸 PEP+CO2+H2O草酰乙酸+Pi PEP羧化酶

16、催化该反应 5. 氨基酸降解产生的碳架（-酮戊二酸、草酰乙酸、丙酮酸）可回补 TCA循环。第42页/共72页三羧酸循环是中心代谢途径三羧酸循环是中心代谢途径第43页/共72页TCA循环于其它代谢的关系第44页/共72页发酵产品生产中的代谢调节控制 发酵的代谢调节 1自然发酵和代谢调节的发酵 2发酵的代谢调节思路 柠檬酸发酵原理 1阻断顺乌头酸酶的催化反应 使用以顺乌头酸酶为靶点的抑制剂 通过诱变造成生产菌种顺乌头酸酶 缺失或活力很低 2强化草酰乙酸回补途径第45页/共72页发酵的代谢调节思路 选育出相关代谢途径旺盛的菌种 设法阻断代谢途径，使所要求的中间产物 不能进一步反应而实现积累。（如酶活

17、抑制或菌种诱变成营养缺陷型） 必须有适当的 补充机制，以满足代谢活动的最低需求，维持细胞生长，才能维持发酵持续进行。第46页/共72页乙醛酸循环第47页/共72页乙醛酸循环第48页/共72页TCA循环与其它代谢途径的关系第49页/共72页磷酸戊糖途径（PPP）PPP的调控6-磷酸葡萄糖脱氢酶是该途径的限速酶，NADP+激活该酶，即NADP+/NADPH比值该酶酶活第50页/共72页磷酸戊糖途径（磷酸戊糖途径（PPP） PPP的发生场所：脂肪组织、乳腺、肾上腺、红细胞等的细胞胞浆中。 PPP的反应历程 PPP的生理意义 1. PPP是细胞产生还原力NADPH的主要途径 NADPH作为供氢体，主要

18、参与合成代谢的反应，此外还参与保护细胞和某些蛋白的巯基，防止H2O2和超氧自由基对细胞的损伤。 2. PPP为DNA、RNA和多种辅酶的合成提供5-磷酸核糖，也为氨基酸的合成提供4-磷酸赤藓糖。第51页/共72页磷酸戊糖途径（PPP）第52页/共72页糖原降解 需要糖原磷酸化酶（降解从非还原端开始）、脱支酶和磷酸葡萄糖变位酶（G-1-PG-6-P）。终产物是G-6-P 。 糖原磷酸化酶为途径的调节酶。其别构激活剂是AMP，别构抑制剂是ATP和G-6-P。在共价调节中，其磷酸化状态是活性态，非磷酸化状态是无活性态。 淀粉磷酸解时需要的酶是淀粉磷酸化酶（降解从非还原端开始） 、转移酶与脱支酶，降解

19、从非还原端开始，终产物是G-1-P。 淀粉水解需要淀粉酶（ -淀粉酶作用于淀粉或糖原内部的 -1,4-糖苷键； -淀粉酶从淀粉的非还原端开始水解，释放出麦芽糖）、脱支酶和麦芽糖酶，终产物是G。第53页/共72页第54页/共72页糖原合成 单糖的活化形式：NDP-单糖（糖原或淀粉合成中常用UDPG） 合成引物：糖原引物连接在糖原蛋白上 糖元合成需要糖原合酶、UDP-葡萄糖焦磷酸化酶、糖原分支酶。糖原合酶是调节酶第55页/共72页糖元合成与降解的协同调控 糖原磷酸化酶和糖原合酶分别是糖原合成与降解两条途径的限速酶。两者的协同调控维持了血糖水平的稳定，协同调控体现在两方面： （1）糖原磷酸化酶和糖原

20、合酶的别构调节 G和G-6-P是两种酶的别构抑制剂，在激活糖原合酶的同时也抑制糖原磷酸化酶，对两条途径进行相反的调节。第56页/共72页 （2）磷酸化/脱磷酸化对糖原磷酸化酶和糖原合酶的协同调控 a）磷酸化调节磷酸化作用使无活性的糖原磷酸化酶b转变为有活性的糖原磷酸化酶a，而使有活性的糖原合酶a转变为无活性的糖原合酶b。（胰高血糖素和肾上腺素cAMPPKAPKA信号转导途径） b）脱磷酸化调节磷酸蛋白磷酸酶1可催化糖原合酶、糖原磷酸化酶和磷酸化酶b激酶的脱磷酸化，使糖原合酶被激活，而糖原磷酸化酶和磷酸化酶b激酶被抑制，导致糖原合成途径开启，糖原降解途径关闭。第57页/共72页第58页/共72页

21、肝脏中葡萄糖对糖原降解的调控作用第59页/共72页肝脏中糖酵解和糖异生的调控第60页/共72页糖原磷酸化酶的激活与糖原合成酶的失活第61页/共72页糖原合成酶的激活与糖原磷酸化酶的失活第62页/共72页糖原磷酸化酶的结构第63页/共72页糖酵解 定义指一分子葡萄糖转变为2分子丙酮酸的一系列酶促反应过程。（广义概念） 代谢途径反应主要分为途经的第一阶段（5步反应，1分子葡萄糖转变为2分子的甘油醛-3-磷酸。特点：需能过程，消耗2分子ATP）、途经的第二阶段（5步反应， 2分子甘油醛-3-磷酸2分子丙酮酸。特点：放能过程，生成4分子ATP）。 总反应式： 葡萄糖+2ADP+2Pi+2NAD+ 2丙