复旦大学生化-糖代谢4课件

糖代谢

(CarbohydrateMetabolism)糖的消化吸收糖的分解代谢血糖及其调节糖元的合成与分解糖元异生糖代谢紊乱

糖酵解EMP糖酵解：一分子葡萄糖通过一系列的酶促反应生成2分子丙酮酸，并生成ATP和NADH的过程。六碳糖分解为2分子丙酮酸需经10步反应：前5步反应为第一阶段/准备阶段(preparatoryphase)，1Glc转变为2三碳物：磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛，消耗2ATP。

第二阶段是能量获得（代偿）阶段（payoffphase)，3-磷酸甘油醛转变为丙酮酸，生成4ATP和2NADH+H+。

葡萄糖6-磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖糖原6-磷酸果糖1,6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮1,3-二磷酸甘油酸×2磷酸烯醇式丙酮酸×2烯醇式丙酮酸×2丙酮酸×2乳酸×2(胞液)己糖激酶磷酸果糖激酶3-磷酸甘油酸×22-磷酸甘油酸×22ADP2ATP丙酮酸激酶NAD+NADH+H+NADH+H+ADPATPADPATP脱氢酶2ATP2ADP糖酵解NADH+H+NAD+EMP生理意义1)迅速提供能量，尤其对肌肉收缩。

2）机体缺氧或肌肉局部血流不畅时的供能。

3）为强制性酵解组织供能。红细胞因为没有线粒体，能量几乎全部由糖酵解提供。神经细胞、白细胞、骨髓等代谢极为活跃，耗能多，即使不缺氧也常由EMP提供部分能量。对于眼角膜，由于血液循环差，可利用的氧有限，需要EMP提供所需的能量。糖的有氧氧化

(AerobicOxidation)

葡萄糖或糖原在有氧条件下通过与糖酵解相同的途径分解为丙酮酸，进而彻底氧化成二氧化碳和水，并产生大量ATP的过程。反应部位胞液和线粒体生理意义

1.一般状况下人体大多数组织获能的主要方式，1Glc38ATP；2.是三大类能量物质共同的分解代谢途径；3.糖有氧氧化的三羧酸循环不仅仅是糖、脂肪和氨基酸在体内氧化功能的共同通路，也是它们的互变枢扭。糖原或葡萄糖丙酮酸丙酮酸乙酰CoA三羧酸循环CO2+H2O+ATP有氧氧化(胞液)(线粒体)乳酸糖酵解

糖的有氧氧化概况三羧酸循环

[TricarboxylicAcidCycle-TCA循环]

有氧条件下大多数生物共有的物质分解代谢途径。Thunberg(1920),H.

Krebs(1932),AlbertSzent-Györgyi

(1935)发现代谢现象，CarlMartins(1937)和FrankKnoop阐明了从柠檬酸到琥珀酸的氧化途径。Krebs(1937)证实了代谢过程，并提出环状氧化途径概念。后来发现这一途径在动物、植物和微生物中普遍存在，不仅仅是糖分解代谢的主要途径，也是脂肪、蛋白质分解代谢的最终途径，具有重要的生理意义。Krebs(1953)获得了诺贝尔奖，并被称为ATP循环之父，这一途径又被称为Krebs循环或柠檬酸循环。HansAdolfKrebs（1990-1981,Germany).Krebs'researchesmainlyconcernedwithvariousaspectsofintermediarymetabolism.Amongthesubjectshehasstudiedarethesynthesisofureainthemammalianliver,thesynthesisofuricacidandpurinebasesinbirds,theintermediarystagesoftheoxidationoffoodstuffs,themechanismoftheactivetransportofelectrolytesandtherelationsbetweencellrespirationandthegenerationofadenosinepolyphosphates.文章被拒也许是科学家常遭遇的事情，很常见，诺奖得主的文章遭据你听过吗?近期TheScientist就爆出一件秘辛，1953年诺奖得主HansKrebs在1937年曾向Nature投稿遭拒。1988年，当Krebs已经辞世7年，Nature杂志匿名编辑在一篇公开信上指出，拒绝Krebs的文章是Nature杂志有史以来所犯的最大错误。柠檬酸循环是“燃料”物质氧化分解的中心途径丙酮酸脱氢酶复合物

Pyruvatedehydrogenasecomplex

丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA的反应由丙酮酸脱氢酶复合物催化完成，反应发生于真核生物的线粒体中，是连接糖酵解与三羧酸循环的中心环节。酶复合物是一个多酶体系，由三种酶蛋白和六种辅助因子组成，分别是丙酮酸脱氢[羧]酶[E1]、二氢硫辛酸(酰胺）转乙酰酶[E2]和二氢硫辛酸（酰胺）脱氢酶[E3]。辅助因子包括硫胺素焦磷酸[TPP]、硫辛酰胺、FAD、NAD+、CoA和Mg2+。PyruvatedHEComplex丙酮酸脱氢酶二氢硫辛酸转乙酰酶二氢硫辛酸脱氢酶硫胺素焦磷酸硫辛酰胺PydHE复合物催化5步反应1)

Py脱羧生成羟乙基-TPP；2)

二氢硫辛酸转乙酰酶催化羟乙基TPP氧化为乙酰基，并转移给硫辛酰胺形成乙酰硫辛酰胺；3)二氢硫辛酸转乙酰酶催化乙酰硫辛酰胺上的乙酰基转移给CoA生成乙酰CoA；4)二氢硫辛酸dHE催化还原的硫辛酸再氧化，并将氢交给FAD生成FADH2-E；5)

FADH2使NAD+还原。

丙酮酸脱氢酶复合物催化丙酮酸氧化脱羧丙酮酸脱氢酶复合物

催化丙酮酸氧化脱羧Mg2+反应不可逆辅酶A[CoenzymeA,CoA]活性乙酸PydHE复合物的调节II

3)可逆磷酸化作用的共价调节（covalentregulation），ATP存在时，Py脱氢酶(E1）酶分子上的Ser-OH被蛋白激酶催化磷酸化而失去活性，一旦磷酸基团被磷酸酯酶催化水解[去磷酸化]可恢复活性。

细胞内ATP/ADP、AcetylCoA/CoA、NADH/NAD+高时，磷酸化作用加强；Ca2+促进去磷酸化作用，insulin也可刺激去磷酸化作用。

PydHE复合物的调节III砷化物与E2中的辅基硫辛酰胺形成无催化能力的砷化物。Ca2+激活：Ca2+通过激活磷酸酶的作用，使丙酮酸脱氢酶活化。柠檬酸[三羧酸]循环

CitricAcidCycle[Tricarboxylic

Acid

Cycle(TCA),KrebsCycle]

乙酰CoA经一系列（8步反应）的氧化、脱羧，最终生成CO2、还原电子和部分能量的过程。乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成柠檬酸，再经一系列的氧化、脱羧，循环后再生草酰乙酸，其中生成2CO2,3[NADH+H+],1GTP[ATP],1FADH2。

TCA循环的底物和产物(1)______________________C2C6C4C4C5NADH+H+CO2NADH+H+CO2GTPFADH2NADH+H+TCA示意图柠檬酸合成酶空的酶构象结合草酰乙酸的构象草酰乙酸CoA乌头酸酶作用于柠檬酸

生成异柠檬酸氟柠檬酸致死合成（Lethalsynthesis)

氟乙酰CoA(氟乙酸、氟乙酸钠、氟乙酰胺）在酶的作用下与草酰乙酸生成氟柠檬酸，顺乌头酸酶只识别柠檬酸，对氟柠檬酸没有作用，致使TCA中断，这种由外来底物经生物体合成代谢为一类对生物体有毒性或可以致死产物的合成为致死合成(lethalsynthesis)。在代谢研究的应用上，被广泛用于杀虫剂或灭鼠药的生产。

异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸

TCA的第一次氧化脱羧，产物为-酮戊二酸。细胞内有两种异柠檬酸dHE，线粒体中只以NAD+为氢受体；另一种以NADP+为氢受体（胞质及线粒体中都有存在），前者为Mg2+及Mn2+所活化，是别构酶，正调控物是ADP，缺乏ADP时没有活力，ATP及NADH对酶有抑制作用。羟酸酮酸-裂解?-酮戊二酸氧化脱羧氧化释放的能量贮存于硫酯键中-酮戊二酸dHE

Complex

与PydHE复合物的组成及作用相似，包括三个酶组分:1）-酮戊二酸dHE(E1’) 2）琥珀酰转移酶(E2’)3）二氢硫辛酸dHE(E3’)

还有六种辅助因子：TPP、CoA、FAD、NAD+、Lipoicacid(Lipoamide)及Mg2+。是调节酶，受产物NADH、succinylCoA和Ca2+抑制；ATP、GTP对酶有反馈抑制；不受可逆磷酸化的共价调节。

琥珀酰CoA转变为琥珀酸琥珀酰CoA合成酶（也称琥珀酸硫激酶）

琥珀酰CoA转变为琥珀酸，产生1GTP(ATP)，由琥珀酰CoA合成酶催化。反应循环至此，碳原子数恢复4个。在随后的4步反应中，琥珀酰基被转换回草酰乙酸。TCA的底物水平磷酸化

琥珀酰CoA转变为琥珀酸，产生1GTP(ATP)，由琥珀酰CoA合成酶（琥珀酸硫激酶）催化。琥珀酸脱氢生成延胡索酸丙二酸琥珀酸脱氢酶(SuccinatedHE)

催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸，H受体是FAD。琥珀酸dHE是真核生物TCA中唯一一个掺入线粒体内膜的酶[原核生物参入质膜]，直接与呼吸链相连。产物延胡索酸（反丁烯二酸），顺丁烯二酸（马来酸，maleicacid）不能参加代谢，对机体有毒。丙二酸(malonate)是酶的竞争性抑制剂。延胡索酸水化生成L-苹果酸

L-苹果酸脱氢再生草酰乙酸

延胡索酸

H2O

苹果酸

延胡索酸酶(延胡索酸水化酶)

TCA循环反应TCA流程图TCA各步反应表TCA小结

循环从C4物与乙酰CoA缩合生成C6物开始；每一次循环经历两次脱羧，放出2CO2;每一循环经历四次脱氢，其中3次以NAD+为氢受体，1次以FAD为氢受体；每循环一次，底物水平磷酸化一次生成1GTP(ATP)。TCA小结（续）循环一次结束以C4物（草酰乙酸）重新生成为标志。总反应：

AcetylCoA+2H2O+3NAD++FAD+GDP+Pi

2CO2+3(NADH+H+)+FADH2+GTP+CoA-SH

葡萄糖分解的能量代谢

Glucose（胞液）

-2ATP

+4ATP,+2(NADH+H+)

（经穿梭系统进入线粒体）

2Py（线粒体）

+2(NADH+H++2CO2）TCA

+2[2CO2+3(NADH+H+)

+FADH2+GTP]

氧化磷酸化，36or38ATP葡萄糖+2ADP+2Pi→2乳酸（2乙醇+2CO2

）+2ATP糖的无氧氧化能量利用率：葡萄糖彻底氧化-2870.22kJ/mol，利用60.1kJ/mol(30.5×2)利用率2.1%葡萄糖+10NAD++2ADP+2GDP+4Pi+2FAD→6CO2+6H2O+10NADH+10H++2ATP+2GTP+2FADH2糖的有氧氧化葡萄糖糖酵解三羧酸循环丙酮酸乙酰CoA丙酮酸脱氢酶系2ATP2NADH2NADH2GTP6NADH2FADH26~8ATP6ATP24ATP36~38ATP能量利用率：葡萄糖彻底氧化-2870.22kJ/mol，38个ATP贮存1159.0kJ/mol(30.5×38)。能量利用率40.4%三羧循环的生物学意义是生命有机体获得生命活动所需能量的主要分解代谢途径；是糖、脂、蛋白质等物质代谢和转化的中心枢纽；为生物体的生物合成提供多种重要的中间产物。TCA及其功能TCA作为两用代谢途径卟啉TCA循环在合成

代谢中的作用厌氧细菌不完整TCA

用于生物合成的前体回补反应(anapleroticreaction)：

酶催化的，补充柠檬酸循环中间代谢物供给的反应。

回补反应含义：

TCA循环中某些中间产物是合成许多重要有机物的前体。例如草酰乙酸和α酮戊二酸分别是天冬氨酸和谷氨酸合成的碳架，延胡索酸是苯丙氨酸和酪氨酸合成的前体，琥珀酰CoA是卟啉环合成的碳架。如果TCA循环的中间产物大量消耗于有机物的合成，就会影响TCA循环的正常运行，因此必须有其他的途径不断地补充，以保证TCA循环运转。回(添)补反应(1)

动物肝脏和肾脏的线粒体中，丙酮酸羧化酶催化

OCCOOH

CH3COCOOH+CO2+ATP+H2OCH2COOH+ADP+Pi

Mg2+,biotin

(2)

植物、细菌等，PEP羧化酶催化

CH2CCOOH+H2O+CO2

O=CCOOH+Pi|

O~PCH2COOHPyruvateCarboxylasePEPCarboxylase回(添)补反应(3)

心脏、骨骼肌中，PEP羧激酶催化

PEP+CO2+GDPoxaloacetate+GTP

(4)

原核、真核中广泛存在的苹果酸酶催化

CH3COCOOH+CO2+NADPH+H+

Malate+NADP+

(5)Asp和Glu转氨形成草酰乙酸和-酮戊二酸；Ile,Val,Thr及Met形成琥珀酰CoA，实现添补。PEPCarboxykinase(体外!)MalicEnzyme回补反应总表乙醛酸循环(GlyoxylateCycle)

微生物和植物可以在产乙酸或产生acetylCoA的化合物中生长，因为它们存在两种酶：异柠檬酸裂解酶（isocitratelyase）和苹果酸合成酶（malatesynthetase），这样可使TCA循环中的异柠檬酸不经脱羧而被酶裂解为琥珀酸和乙醛酸，乙醛酸与另一分子acetylCoA在苹果酸合成酶作用下缩合形成苹果酸。意义：连接糖与脂的相互转变；协同TCA，造成C4的赢余，实现回补或生糖。乙醛酸(Glyoxylate)循环TCAATP乙醛酸循环和TCA循环的关系异柠檬酸脱氢酶活性的调节决定异柠檬酸向乙醛酸循环还是TCA循环TCA的调节1.底物的有效性2.产物的反馈抑制3.变构反馈抑制TCA循环的调节1.NAD+/NADH2.产物3.Ca2+葡萄糖代谢的调节,2,6二磷酸果糖,1,6二磷酸果糖Ala,Ca++糖代谢调节1糖代谢调节2葡萄糖的主要代谢命运戊糖磷酸途径(PPP）PentosePhosphatePathway己糖单磷酸途径(HMP)HexoseMonophosphatePathway己糖单磷酸支路(HexoseMonophosphateshunt)戊糖(磷酸)支路(pentosephosphateshunt)磷酸己糖旁路(Phosphohexosebypass)磷酸葡萄糖酸途径(phosphogluconatepathway)戊糖磷酸途径(PPP）Racker(1954)、Gunsalus(1955)发现，组织中添加酵解抑制剂，Glc仍可被消耗，即Glc还有其他的代谢支路。整个途径分为两个阶段:

氧化阶段：Glc经脱氢、脱羧变为磷酸戊糖

非氧化阶段：戊糖经几种不同碳数的糖的转化，最终重新合成己糖。两个关键酶催化其中的反应，即转羟乙醛基[转酮]酶[transketolase]和转二羟丙酮基[转醛]酶[transaldolase]。戊糖磷酸途径二个阶段的反应式：(1)3×6-磷酸葡萄糖

+6NADP+

3×

5-磷酸核糖+6(NADPH+H+)+3CO2(2)3×5-磷酸核糖

2×6-磷酸果糖3×6-磷酸葡萄糖

+6NADP+

2×

6-磷酸果糖+6（NADPH+H+)+3CO2

6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G-6-PD)戊糖磷酸途径：糖酵解途径3×6-磷酸葡萄糖5-磷酸核糖5-磷酸木酮糖7-磷酸景天糖3-磷酸甘油醛3-磷酸甘油醛5-磷酸木酮糖4-磷酸赤藓糖6-磷酸果糖6-磷酸果糖3×6-磷酸葡萄糖酸内酯3NADPH3×6-磷酸葡萄糖酸3H2O3×5-磷酸核酮糖3NADPH3CO2葡萄糖戊糖磷酸途径特点：反应部位：反应底物：重要反应产物：限速酶：胞浆6-磷酸葡萄糖NADPH、5-磷酸核糖6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G-6-PD)戊糖磷酸支路的

氧化反应5-P-核酮糖生成5-P-核糖p-木酮糖HMP的两个关键酶转酮酶或转羟乙醛基酶转醛酶或转二羟丙酮基酶转醛酶的作用转酮酶的作用戊糖磷酸支路的非氧化反应HMP的碳数变化戊糖磷酸支路的

碳架转变

HMP途径的调节

1）最重要的调节酶是6-磷酸葡萄