糖酵解糖异生和戊糖磷酸途径

糖酵解糖异生和戊糖磷酸途径演示文稿1本文档共56页；当前第1页；编辑于星期日\21点45分（优选）糖酵解糖异生和戊糖磷酸途径2本文档共56页；当前第2页；编辑于星期日\21点45分㈠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(cf.courseware12)(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-2OttoF.Meyerhof1884-1951(1922NPinPhys./Med.)(Embden-Meyerhof-ParnasPathway)3本文档共56页；当前第3页；编辑于星期日\21点45分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4本文档共56页；当前第4页；编辑于星期日\21点45分14-2aThetwophasesofglycolysis己糖阶段消耗2ATPContinuefor2ndphase5本文档共56页；当前第5页；编辑于星期日\21点45分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/乙醇等6本文档共56页；当前第6页；编辑于星期日\21点45分OverallequationforglycolysisGlc+2NAD++2ADP+2Pi→

2pyruvate+2NADH+2H++2ATP+2H2O糖酵解的能量变化可分为两段进程：

-Glc+2NAD+→2pyruvate+2NADH+2H+

∆G’°=-146kJ/mol

-2ADP+2Pi→2ATP+2H2O

∆G’°=(2x30.5)=

61kJ/mol

∆Gtotal’°=

-146+61=

-85

kJ/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7本文档共56页；当前第7页；编辑于星期日\21点45分①Glc磷酸化成G6P

-己糖激酶

-1stATP被消耗：不可逆

-为后续反应激活Glcp526①-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(cf.p276~)8本文档共56页；当前第8页；编辑于星期日\21点45分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~8Å，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9本文档共56页；当前第9页；编辑于星期日\21点45分②G6P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)p526②C1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)10本文档共56页；当前第10页；编辑于星期日\21点45分吡喃葡糖开环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(cf.Fig.10-1)11本文档共56页；当前第11页；编辑于星期日\21点45分p526③③F6P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12本文档共56页；当前第12页；编辑于星期日\21点45分④F-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p527④C3–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)13本文档共56页；当前第13页；编辑于星期日\21点45分14-5classIaldolasereaction(animal&plant)①~②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②和①的逆过程水解亚胺并释出2nd产物自学14本文档共56页；当前第14页；编辑于星期日\21点45分14-6⑤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正向进行最复杂的功能团(羰基)规定为C1Reviewfor1stphase反应机制类似于磷酸己糖异构酶oxidizedreduced提高代谢效率(cf.Fig.10-2)15本文档共56页；当前第15页；编辑于星期日\21点45分⑥G3P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ATPp529⑥G3P氧化放能：∆G’°=-43kJ/mol磷酸酐键形成吸能：∆G’°=49.3kJ/mol

-G3P脱氢酶(ashomotetramer)

-1st步储能反应=醛脱氢成混合酸酐§3.收益阶段产生ATP和NADH(cf.p279~)16本文档共56页；当前第16页；编辑于星期日\21点45分14-7G3Pdehydrogenasereaction硫半缩醛硫酯–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)(cf.Fig.10-3)磷酸解(as–OHfromH2O)17本文档共56页；当前第17页；编辑于星期日\21点45分-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+)18本文档共56页；当前第18页；编辑于星期日\21点45分-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

⑥和⑦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/molp531⑦⑦磷酰基从1,3-BPG转移给ADP3-PG19本文档共56页；当前第19页；编辑于星期日\21点45分⑧3-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p531⑧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20本文档共56页；当前第20页；编辑于星期日\21点45分14-8phosphoglyceratemutasereaction(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(cf.Fig.10-4)21本文档共56页；当前第21页；编辑于星期日\21点45分⑨2-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/mol

PEP:-61.9kJ/mol足以在下步反应中合成ATPp532⑨C2oxidizedC3reduced22本文档共56页；当前第22页；编辑于星期日\21点45分自学Two-stepreactioncatalyzedbyenolaseLys345碱催化移除H+烯醇化中间物由Mg2+稳定Glu211酸催化促进移除–OHF–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6-2323本文档共56页；当前第23页；编辑于星期日\21点45分⑩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磷酰基转移放能：∆G’o

=-61.9kJ/molATP生成吸能：∆G’o

=30.5kJ/mol非酶促异构∆G’°=-41.8kJ/molp532⑩(cf.Fig.10-5&10-6)24本文档共56页；当前第24页；编辑于星期日\21点45分总输入：

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：2

ADP+2Pi→2

ATP-e–转移：4e–

(as2:H–)从2G3P转移至2

NAD+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~)25本文档共56页；当前第25页；编辑于星期日\21点45分小结：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种酵解酶全都分布在胞液中，所有中间物均为

3C/6C的磷酸盐化合物LW-3自学26本文档共56页；当前第26页；编辑于星期日\21点45分-

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27本文档共56页；当前第27页；编辑于星期日\21点45分14-9㈡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28本文档共56页；当前第28页；编辑于星期日\21点45分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)糖苷键进行亲核攻击-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(cf.Fig.13-3&13-5)(+PLP)C1+29本文档共56页；当前第29页；编辑于星期日\21点45分Catabolicfatesofpyruvateformedinglycolysis14-3㈢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30本文档共56页；当前第30页；编辑于星期日\21点45分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tokeepglycolysisgoing31本文档共56页；当前第31页；编辑于星期日\21点45分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thiazole’sC2–asanucleophile(非共价紧密结合，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32本文档共56页；当前第32页；编辑于星期日\21点45分LW-4㈣糖异生GluconeogenesisApathwayconvertingpyruvateandrelated3C&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33本文档共56页；当前第33页；编辑于星期日\21点45分14-15-无论动物还是植物，PEPG6P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rawmaterialsforgluconeogenesis34本文档共56页；当前第34页；编辑于星期日\21点45分14-16Opposingpathwaysofglycolysisandgluconeogenesis

inratliver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)35本文档共56页；当前第35页；编辑于星期日\21点45分-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)羧化脱羧-总反应为：

丙酮酸+ATP+GTP

PEP+ADP+GDP+PiPEP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)36本文档共56页；当前第36页；编辑于星期日\21点45分

EnzRoleofbiotininpyruvatecarboxylasereaction14-18-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)37本文档共56页；当前第37页；编辑于星期日\21点45分自学mechanismforpyruvatecarboxylase(cf.Fig.13-21)38本文档共56页；当前第38页；编辑于星期日\21点45分14-19AlternativepathsfrompyruvatetoPEP同工酶同工酶~105lowerthaninmitoch.(usedfor1,3-BPGG3P)-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本文档共56页；当前第39页；编辑于星期日\21点45分绕行2和3均为磷酯键水解14-16aG6P酶∆G’o=-13.8kJ/mol-脑/肌细胞无该酶！F-1,6-BP酶∆G’o=-16.3kJ/mol40本文档共56页；当前第40页；编辑于星期日\21点45分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.Cori1896-1984GertyT.Cori1896-19571947NPinPhys./Med.41本文档共56页；当前第41页；编辑于星期日\21点45分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本文档共56页；当前第42页；编辑于星期日\21点45分G28.2Substratecyclesareusuallypreventedbyreciprocalregulatorycontrols.

Reciprocalregulationofgluconeogenesis&glycolysis绕行2糖酵解糖异生自学(cf.Fig.13-24)43本文档共56页；当前第43页；编辑于星期日\21点45分-Whatwastherationaleforcomparingtheactivitiesofthesetwoenzymes?-Thedatashowtheactivitiesofbothenzymesforavarietyofbumblebeespecies.Dotheseresultssupportthenotionthatbumblebeesusefutilecyclestogenerateheat?-Inwhichspeciesmightfutilecyclingtakeplace?Why?-Dotheseresultsprovethatfutilecyclingdoesnotparticipateinheatgeneration?44本文档共56页；当前第44页；编辑于星期日\21点45分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

45本文档共56页；当前第45页；编辑于星期日\21点45分㈤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)46本文档共56页；当前第46页；编辑于星期日\21点45分14-20PPP途径可分为两大阶段-

氧化阶段G6P+2NADP++H2OR5P+2NADPH+2H++CO2-

非氧化阶段3R5P2F6P+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47本文档共56页；当前第47页；编辑于星期日\21点45分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)P29-11Pentosephosphatepathway(oxidativestage)限速且不可逆48本文档共56页；当前第48页；编辑于星期日\21点45分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-P

4.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

急需NADPH而不是R5P时，后者即可经由一系列碳架重排反应再生成G6P以循环利用P29-12Pentosephosphatepathway(oxidativestage)C3脱氢引入羰基49本文档共56页；当前第49页；编辑于星期日\21点45分14-22aPentosephosphatepathway(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→aldoseG3PG6PR5P异构酶差向异构酶C3景天庚酮糖F6P核酮糖-5-Pglycolysis,etcoxidativestage(cf.p298)50本文档共56页；当前第50页；编辑于星期日\21点45分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)51本文档共56页；当前第51页；编辑于星期日\21点45分G6P可在糖酵解和戊糖磷酸途径之间分流14-27G6P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]