1、糖代谢（一）糖酵解柠檬酸循环,糖类代谢,一.糖的来源 绿色植物和光合微生物的光合作用和动物体内糖异生,第一节：糖的来源及生理作用,叶绿体,二. 糖的作用,1. 糖是有机体重要的能源和碳源。糖分解产生能量，可以供给有机体生命活动的需要，2. 糖代谢的中间产物又可以转变成其他的含碳化合物如氨基酸、脂肪酸、核苷等。3. 糖的磷酸衍生物可以形成重要的生物活性物质如NAD、FAD、DNA、RNA、ATP等。4. 糖蛋白、糖脂与细胞的免疫反应，识别作用有关。,二.糖的中间代谢,糖酵解途径 ( EMP)柠檬酸循环 (TCA) 磷酸戊糖途径 (HMP) 糖异生作用植物体内乙醛酸循环糖原的合成与分解,糖类代谢,
2、第二十二章：糖 酵 解,一. 糖酵解的研究历史,1897年，Hans Buchner和Eduard Buchner兄弟发现，酵母汁可以把蔗糖变成酒精，证明了发酵可以在细胞以外进行1905年ArhurHarden和WilliamYoung把酵母汁加入葡萄糖中，发现发酵过程中无机磷酸盐逐渐消失，只有不断补充无机磷酸盐才能使发酵速度不降低，因此推测发酵与无机磷将糖磷酸化有关。他们还发现当将酵母汁透析或加热到50后，就会失去发酵能力，当加热失活的酵母汁与透析失活的酵母汁混合后又恢复了发酵能力。由此证明，发酵活性取决于两类物质，一类是热不稳定的，不可透析的组称为酿酶，一类是热稳定，可透析的组分称为辅酶，
3、还有金属离子。1940年，酵解的全过程才被全面了解。Gustar Embden和Otto Meyerhof等人发现肌肉中也存在着与酵母发酵十分类似的不需氧的分解葡萄糖并产生能量的过程，他们称此为酵解过程；因此有时称酵解为EmbdenMeyerhof途径（ EMP ）。,二.糖酵解的概述,糖酵解途径的概念糖酵解是指葡萄糖在酶促反应下生成丙酮酸并伴随着ATP生成的过程。酵解过程相关的酶都在细胞质中。它是动物、植物、微生物细胞中葡萄糖分解产生能量的共同代谢途径。,糖类代谢,三.糖酵解过程,前五步为准备阶段：1.葡萄糖磷酸化；2.磷酸已糖异构化；3.再次磷酸化；4.果糖一1，6二磷酸裂解；5.磷酸丙糖
4、异构化此阶段中，葡萄糖通过磷酸化分解成三碳糖，每分解一个已糖分子消耗2分子的ATP。,后五步反应为产生产生ATP的贮能阶段，6.甘油醛氧化；7.底物水平磷酸化8.变位反应；9.烯醇化10.再次底物水平磷酸化磷酸三碳糖变成丙酮酸，每分子的三碳糖产生2分子的ATP。,1. 葡萄糖磷酸化形成6磷酸葡萄糖,已糖激酶,已糖激酶（分子量52000）以六碳糖为底物，其专一性不强，不仅可以作用于葡萄糖，还可以作用于D果糖和D甘露糖。已糖激酶像其他激酶一样，需为Mg2+或其他二价金属如Mn2+所活化。,2. 6磷酸葡萄糖转化成6磷酸果糖,磷酸葡萄糖异构酶,OH,3. 6磷酸果糖磷酸化形成1,6二磷酸果糖（ F1
5、,62P）,磷酸果糖激酶,这一步反应是酵解中的关键反应。磷酸果糖激酶的活性决定了酵解的速度。磷酸果糖激酶是分子量为3400的四聚体，它是一个别构酶，ATP对此酶有抑制效应，在有柠檬酸、脂肪酸时加强抑制效应。然而AMP、ADP或无机磷可消除抑制，增加酶的活性,4.F1,62P裂解成3磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮（DHAP）,F1,62P醛缩酶,5.磷酸三碳糖的同分异构化,磷酸丙糖异构酶,96%,4%,6. 3磷酸甘油醛氧化成1，3二磷酸甘油酸,磷酸甘油醛脱氢酶,碘乙酸可强烈抑制磷酸甘油醛脱氢酶的活性，因为与酶的半胱氨酸残基上的SH反应。砷酸盐（AsO43）可以与H3PO4竞争同高能硫酯中间物结合，形
6、成不稳定的化合物1砷3磷酸甘油酸，它可以进一步分解产生3磷酸甘油酸，但没有磷酸化作用。因此砷酸使这一步的氧化作用和磷酸化作用解偶联。这是砷酸中毒的反应之一。,7.1，3二磷酸甘油酸将磷酰基转给ADP生成磷酸甘油酸和ATP,磷酸甘油酸激酶,底物水平磷酸化：ATP（GTP）的形成直接与一个代谢中间物上的磷酸基因转移相偶联的作用,8.3磷酸甘油酸变位形成2磷酸甘油酸,磷酸甘油酸变位酶,9. 2磷酸甘油酸脱水形成磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）,烯醇化酶,10.磷酸烯醇式丙酮酸将磷酰基转移给ADP形成ATP和丙酮酸,丙酮酸激酶,现已得到丙酮酸激酶，分子量是250000，是由66000的亚基组成的四聚体。丙酮
7、酸激酶是一个别构酶，酵解途径中的重要调节酶。长链脂肪酸，乙酰COA，ATP和丙氨酸能抑制该酶活性。1，6二磷酸果糖活化此酶。,四.丙酮酸的去路,1.变为乙酰CoA，进入三羧酸循环（在有氧条件下）,2.生成乳酸（在无氧或暂时缺氧条件下）,乳酸脱氢酶,3.转化为乙醇（酵母菌或其它微生物中）,丙酮酸H乙醛CO2,丙酮酸脱羧酶,乙醛NADHH乙醇NAD,醇脱氢酶,酵解与发酵概念的区别,发酵（fermentation):厌氧有机体（如酵母或其他微生物）把酵解生成的NADH中的氢交给丙酮酸脱羧生成的乙醛，使之形成乙醇。这个过程称为酒精发酵。若将氢交给丙酮酸生成的乳酸，则是乳酸发酵。,糖酵解：葡萄糖在酶促反
8、应下生成丙酮酸并伴随着ATP生成的过程。,酵解过程ATP的合成,葡萄糖酵解的总反应式为：葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+ 2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H+2H2O,无氧情况下酵解共产生2分子的ATP，2分子NADH将H交给2分子丙酮酸生成2分子乳酸。在有氧情况下，2分子NADH经呼吸链氧化成H2O可产生5分子ATP，因此一分子葡萄糖酵解共产生7分子ATP。在某些组织，如骨骼肌、脑组织NADH进入线粒体要通过甘油磷酸穿羧系统。细胞质中磷酸二羟丙酮被催化成3磷酸甘油进入线粒体重新氧化成磷酸二羟丙酮，但在线粒体中的3磷酸甘油脱氢酶的辅基是FAD，为此只产生1.5分子ATP。在这些组织中一分
9、子葡萄糖酵解共产生5分子ATP。（改错，P87）,五.其它单糖进入酵解的途径,D果糖,1.脂肪组织中D果糖+ATP 6磷酸果糖+ADP+H+2.肝细胞中 D果糖1磷酸果糖甘油醛3磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮,Mg2+,已糖激酶,ATPADP,ATPADP,果糖激酶,1磷酸果糖醛缩酶,三碳糖激酶,2.D半乳糖,半乳糖1磷酸半乳糖1磷酸葡萄糖6磷酸葡萄糖,ATPADP,UDP葡萄糖UDP半乳糖,半乳糖激酶,磷酸葡萄糖变位酶,1 磷酸半乳糖尿苷酰转移酶,半乳糖血症指先天性缺乏1磷酸半乳糖尿苷酸转移酶，可从血液中缺乏此酶进行鉴定。 患者不能将1磷酸半乳糖转化成UDP半乳糖，使半乳糖不能进入酵解途径，以致血中
10、半乳糖增多，引起半乳糖血，严重的导致半乳糖尿。患儿生长迟缓，喝奶后呕吐、腹泻，肝肿大，黄疽，智力迟钝。若继续摄取半乳糖，会因血液中毒致死。血液中毒物之一是半乳糖醇，他是由半乳糖经还原酶还原而成。 在眼睛的晶体中，半乳糖醇积累会造成白内障。吃没有半乳糖的膳食可改善健康状况，但智力不能恢复。,3.D甘露糖,D甘露糖+ATP 6-磷酸甘露糖+ADP+H+6-磷酸甘露糖 6-磷酸果糖,已糖激酶,磷酸甘露糖激酶,糖酵解,六.糖酵解的调节控制,1.糖酵解的最重要控制步骤是由磷酸果糖激酶(PFK)催化的不可逆反应。该酶的调节有多种途径：a. ATPAMP：PFK被ATP变构抑制，但这种抑制作用被AMP逆转，
11、这使糖酵解对细胞能量需要得以应答。当ATP供应短缺(和AMP充足) 时，加快酵解速度，于是能制造更多的ATP，当已经有足够ATP时，酵解速度减慢。b. 柠檬酸(citrate)：PFK也被柠檬酸循环的第一产物柠檬酸抑制。高水平的柠檬酸发出的信号是有足够的柠檬酸循环中间体供应，因此不需要经糖酵解另外分解葡萄糖。c.H+离子：磷酸果糖激酶被H+抑制，因此当PH显著下降时，糖酵解速率降低。由此防止在缺氧的情况下形成过量的乳酸从而防止医学上所谓的酸中毒（一种血液中pH中毒性的下降）,d. 2,6-二磷酸果糖是磷酸果糖激酶的有效的别构活化剂，它可以通过增加2，6-二磷酸果糖与酶的亲和力从而消除ATP对酶
12、的抑制效应，使酶活化。2,6-二磷酸果糖是由磷酸果糖激酶2催化6磷酸果糖磷酸化而形成的。2,6-二磷酸果糖又可被果糖二磷酸酶2水解成6-磷酸果糖。上述两个酶都是由相同的53000的多肽链组成，只是由于一个丝氨酸残基磷酸化或去磷酸化而造成活性不同。这种酶称为前后酶或双功能酶。当葡萄糖缺少，高血糖激素导致双功能酶磷酸化，表现为果糖二磷酸酶2的活性。使F-2,6-BP水平降低，结果由于使磷酸果糖激酶活性减少而降低酵解速度。 当葡萄糖含量丰富时，双功能酶失去磷酸基，导致磷酸果糖激酶2的活性被激活，使F-2,6-BP水平升高，磷酸果糖激酶被活化。P121,2.已糖激酶的调控,已糖激酶催化酵解的第一步不可
13、逆步骤，它受葡萄糖6磷酸的抑制。而当磷酸果糖激酶（PFK）被抑制时，果糖6磷酸增加，同时葡萄糖6磷酸也增加。因此已糖激酶的抑制又加强了在PFK步骤的抑制作用。从这里看，似乎已糖激酶应该是主要的控制酶，而不是PFK。然而，已糖激酶反应的产物葡萄糖6磷酸也能进入糖原合成或戊糖磷酸途径。所以PFK催化的反应才是主要的调控步骤。,3.丙酮酸激酶的调控,1,6-二磷酸果糖使丙酮酸激酶活化，使其与磷酸果糖激酶催化加速协调，接受大量代谢中间物，因此加速酵解。酵解产物丙酮酸转氨合成的丙氨酸也可以别构抑制这个酶的活性，这是生物合成前体过剩的信号。,丙酮酸激酶缺乏病人由于酵解产物不能进入三羧酸循环，使酵解中间产物
14、浓度增加，使红细胞中2,3二磷酸甘油酸浓度增高，而使血红蛋白与氧的亲和力非常低。由于病人不能很好地进行酵解，ATP减少，因而降低Na，K+ATP酶的活性，细胞无法维持正常离子浓度而肿胀，裂解，造成溶血性贫血。,七.糖酵解的生物意义,1.糖酵解是生物界最普遍的代谢途径之一2.糖酵解在缺氧的条件下提供能量的有效途径，也是生物体在缺氧的条件下对能要求暂时适应方式。3.是进化过程中保存下来的一条原始代谢过程，在有氧的条件下，糖酵解还是剧烈的进行。,小结,1.不需氧的条件下，完成的一条代谢途径。2.以NAD作为递H体3.放能过程（能量少）4.控制酵解过程的三个关键点5.酵解的部位（细胞质）6.所有的中间
15、物都以磷酸酯形式存在,小问题,1.某一化合物是3磷酸甘油醛脱氢酶的抑制剂。若该化合物被加入以葡萄糖为惟一的底物肝细胞中，那么，它对糖酵解中间产物的浓度有何影响?2. 如果习题1中的底物是乳酸，那么，此抑制剂对糖酵解途径中间产物的浓度影响又是怎么样？3.什么因素阻碍糖酵解途径的中间产物脱离产生它的细胞?4.果所有糖酵解途径中的酶，ATP、ADP、NAD和葡萄糖一同在理想条件下培养，那么会产生丙酮酸吗?5.哺乳动物细胞中，乳酸有何代谢去路？6.理论上下列个化合物，在糖酵解途径中通过底物水平磷酸化作用而净产生最多ATP？1分子蔗糖，2分子葡萄糖，或2分子果糖？,第23章柠檬酸循环,大多数动物、植物和
16、微生物，葡萄糖通过糖酵解产生的丙酮酸，在有氧条件下，氧化脱羧形成乙酰辅酶A。乙酰辅酶A经过一系列氧化、脱羧，最终生成H2O 和CO2，并释放出大量能量的过程称为三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle)又柠檬酸循环，简写为TCA循环，因为它是由H.A.Krebs正式提出，所以又称Krebs循环。,一.丙酮酸的氧化脱羧,丙酮酸氧化脱羧反应是连接糖酵解和三羧酸循环的中间环节。此反应在真核细胞的线粒体基质中进行。,丙酮酸在丙酮酸脱氢酶系催化下，脱羧形成乙酰CoA。丙酮酸脱氢酶系是一个非常复杂的多酶体系，主要包括：三种不同的酶（丙酮酸脱氢酶组分E1、二氢硫辛酰转乙酰基酶E2和二氢硫
17、辛酸脱氢酶E3）6种辅助因子（TTP、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA和Mg2+）,丙酮酸脱氢酶系,1.丙酮酸脱氢酶系的结构：Lester Reed研究了丙酮酸脱氢酶复合体的组成和结构，大肠杆菌中此酶的质量约为50，000，000，是由60条肽链组成多面体，直径约30nm，可以在电子显微镜下观察到这种复合体。二氢硫辛酰转乙酰基酶位于核心有24条肽链，丙酮酸脱氢酶也有24条肽链，二氢硫辛酸脱氢酶是12条肽链组成。这些肽链以非共价力结合在一起，在碱性pH时复合体可以解离成相应的亚单位，在中性时三个酶又可以重组成为复合体。 所有丙酮酸氧化脱羧的中间产物均紧密地结合在复合体上，由于一个酶与另一个酶彼接
18、近，活性中间产物可以通过酰基转移酶上赖氨酸与硫辛酸形成的转动长臂从酶的一个活性位置转到另一个活性位置上。,（丙酮酸脱氢酶组分E1、二氢硫辛酰转乙酰基酶E2和二氢硫辛酸脱氢酶E3）,丙酮氧化脱羧的总反应式：,2.丙酮酸脱羧反应的调控,由于从丙酮酸到乙酰COA是一个重要的步骤，处于代谢途径的分支点，这反应体系受到严密的调节与控制。,1.产物抑制：丙酮酸氧化脱羧作用的二个产物乙酰COA和NADH都抑制丙酮酸脱氢酶系，乙酰COA抑制乙酰转移酶E2，NADH抑制二氢硫辛酸脱氢酶E3组分。抑制效应可以被相应反应物COA和NAD逆转。2.核苷酸反馈调节：酶体系的活性由细胞的能荷所控制。特别是丙酮酸脱羧酶E1
19、组分受GTP抑制，为AMP所活化。当细胞内富有立即可利用的能量时，丙酮酸脱氢酶体系活性降低。3.可逆磷酸化作用的共价调节：在有ATP时，丙酮酸脱氢酶分子上的特殊的丝氨酸残基被专一的磷酸激酶催化时，变得没有活性，当酶上的磷酸基团被专一磷酸酶水解时又恢复活性。细胞内ATP/AMP，乙酰COA/ COA和NADH/NAD的比值增高时，酶的磷酸化作用增加。Ca2+增加去磷酸化作用。,二.柠檬酸循环,1.乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合形成柠檬酸,柠檬酸合成酶,柠檬酸合成酶是一个调控酶，体外实验表明：酶的活性受ATP、NADH、琥珀酰COA和长链脂肪酰COA抑制。氟乙酰COA可与柠檬酸合成酶反应形成氟柠檬酸，因
20、为它可抑制下一步反应的酶，因此这反应称为称为致死合成，可以利用这一特性合成杀虫剂或灭鼠药。,2.柠檬酸异构化生成异柠檬酸,柠檬酸,顺乌头酸酶,异柠檬酸,3.异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸,线粒体内含有二种异柠檬酸脱氢酶，一种是以NAD为电子受体，另一种以NADP为受体。前者仅在线粒体内，后者也在细胞质中存在。需NAD异柠檬酸脱氢酶被Mg2+、Mn2+活化，它是一个别构酶，正调控物是ADP，ADP可增加酶和底物的亲和力。当缺乏ADP时就失去活性。NAD、Mg2+和ADP有协同作用。NADH和ATP可以抑制酶活性。总之，细胞在具有高能状态时酶活性被抑制。在低能状态时被激活。,4. -酮戊二酸氧化脱
21、羧成为琥珀酰辅酶A,-酮戊二酸脱氢酶系,-酮戊二酸脱氢酶系的结构与调控,-酮戊二酸脱氢酶系与丙酮酸脱氢酶系相似，由三个酶即-酮戊二酸脱氢酶E1，琥珀酰转移酶E2和二氢硫辛酰脱氢酶E3组成。也需要TPP，硫辛酸，COA，FAD和NAD,Mg2+6种辅助因子。琥珀酰转移酶E2处于核心位置，其氧化脱羧机制也类似。-酮戊二酸脱氢酶系也是个调节酶，受其产物NADH、琥珀酰CoA和Ca2+抑制，细胞高能荷时，ATP，GTP也可反馈抑制酶的活性，但是酶的活性不受磷酸化作用的共价修饰调节。,5.琥珀酰COA转化成琥珀酸，并生成GTP,琥珀酰COA合成酶,6.琥珀酸脱氢生成延胡索酸,反应在琥珀酸脱氢酶的作用下进
22、行，所形成的是延胡索酸是反丁烯二酸，而不是顺丁烯二酸（马来酸），后者不能参加代谢，对机体有毒性。丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂,7.延胡索酸被水化生成苹果酸,延胡索酸酶,8.苹果酸脱氢生成草酰乙酸,L苹果酸脱氢酶,4.三羧酸循环,糖类代谢,丙酮酸,乙酰CoA,定义：在有氧条件下，酵解产物丙酮酸被彻底氧化分解成CO2和H2O,并放出ATP的过程,加入2C,二.三羧酸循环中的化学循环,2.两步脱羧反应（C量达到平衡）异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸-酮戊二酸氧化脱羧成为琥珀酰辅酶A,1.一次底物水平磷酸化琥珀酰COA高能磷酸键水解GDPPiGTP,3.两步加水乙酰COA+草酰乙酸H2O柠檬酸CO
23、A-SH延胡索酸 H2OL苹果酸,4.四步脱氢反应异柠檬酸NAD -酮戊二酸CO2NADHH -酮戊二酸 COA-SH NAD琥珀酰COANADHHCO2琥珀酸FAD延胡索酸FADH2 L苹果酸NAD草酰乙酸NADHH,三.三羧酸循环所生的ATP,乙酰COA进入三羧酸循环，每一次循环通过GTP产生一分子ATP。反应中共有4个脱氢步骤，其中三对电子经NADH转递给线粒体的膜嵴上的电子传递链，最后递给氧，每对电子产生2.5分子ATP，3对电子共7.5分子ATP，有一对电子经FADH2转递至电子传递链，可产生1.5分子ATP。因此每一次循环共产生10分子ATP。若从丙酮酸脱氢开始计算，共产生12.5
24、分ATP。,四葡萄糖分解代谢过程中能量的产生,葡萄糖在分解代谢过程中产生的能量有两种形式：直接产生ATP；生成高能分子NADH或FADH2，后者在线粒体呼吸链氧化并产生ATP。,1.葡萄糖分解代谢共同途径糖酵解：1分子葡萄糖 2分子丙酮酸，共消耗了2个ATP，产生了4 个ATP，实际上净生成了2个ATP，同时产生2个NADH。,（1）无氧分解（丙酮酸接受3磷酸甘油醛脱氢酶形成的NADH上的氢，形成乳酸）。（2）有氧分解（丙酮酸生成乙酰CoA进入三羧酸循环）产生的ATP、NADH和FADH2丙酮酸氧化脱羧：丙酮酸 乙酰CoA，生成1个NADH。三羧酸循环：乙酰CoA CO2和H2O，产生一个GT
25、P（相当于ATP）、3个NADH和1个FADH2。,2.酵解产物的去向,（3）葡萄糖分解代谢过程中产生的总能量,1.葡萄糖酵解成乳酸的总反应式C6H6O6 + 2 ADP + 2Pi 2乳酸2ATP2H2O2.葡萄糖有氧分解总反应式C6H6O6 + 6 H2O + 10 NAD+ + 2 FAD + 4 ADP + 4Pi 6 CO2 + 10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 4 ATP 4 ATP +（10 2.5）ATP + （2 1.5）ATP = 32 ATP,五.三羧酸循环的回补反应,1.丙酮酸的羧化丙酮酸CO2ATPH2O草酰乙酸ADPPi,丙酮酸羧化酶，Mg2+
26、,2.PEP羧化激酶磷酸烯醇式丙酮酸CO2GDP草酰乙酸GTP,PEP羧化激酶，Mg2+,3.天冬氨酸及谷氨酸的转氨基作用可以形成草酰乙酸和-酮戊二酸,1.TCA循环是生物体产能的有效方式，一分子葡萄糖经EMP和TCA彻底氧化成H2O、CO2，可生成32个ATP,糖类代谢,六.三羧酸循环的意义,2.中间产物可以为其他物质的合成提供C骨架,3.沟通脂质、蛋白质等有机物代谢，是三大物质代谢相互转换的枢纽。,4.TCA循环是各类有机物共同的末端代谢,课后问题,1.如果柠檬酸循环的中间物脱离循环，进入其它代谢途径，为什么柠檬酸循环还能继续进行？2.写出柠檬酸循环的总反应式，每消耗1分子乙酰COA只产生1个ATP当量（GTP）吗？3.柠檬酸循环中有多少步骤包括（1）氧化还原作用，（2）水合去水合作用， （3）底物水平磷酸化，（4）脱羧作用？并列出相应于这些反应的酶。4.2氟乙酸是在部分南部非洲植物中被发现的一种动物毒素，可被用作饵捕杀野兔，（此毒素被称为1080）。食入该毒素后，它被转化为2氟乙酰COA， 2氟乙酰COA在柠檬酸循环中有何去路？其毒性机制是什么？,
