碳水化合物代谢

GlycolysisCarbohydrateMetabolism 2To teach is not to fill a vase but to light a fire一 、糖酵解的研究历史解释发酵现象的人1822-1895 Louis Paster发酵是由 微生物引起的发现酵解本质的人1897 榨酵母汁 蔗糖Hans Buchner 和 Edward Buchner发酵并不需要整个完整细胞参与Eduard BuchnerEmbden, Meyerhof, Parnas 等人贡献最多, 故糖酵解过程也叫Embden-Meyerhof-Parnas途径 , 简称EMP途径 .贡献最多的人Otto Fritz Meyerhof二、糖酵解过程概述1、碳骨架的变化：6 C糖 (葡萄糖 ) 2个 3 C糖 (丙酮酸 ) 2 乳酸 （酵解）2 乙醇 2 CO22、能量的变化（ 1） 带有极性，不易随便出入细胞（ 2） 被酶识别，与酶结合（ 3） 传递能量，保存能量3、糖酵解中间产物都是磷酸化合物（发酵）三、糖酵解和酒精发酵的全过程图解HATPADPATPADP2 Pi2ATP2ADP葡萄糖 葡萄糖 -6-P果糖 -6-P果糖 -1,6-二磷酸甘油醛 -3-磷酸二羟丙酮磷酸1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乳酸1112123456789102 H2ATP2ADP2H2O2 NAD2 NADH HCHO| CH3 2 CO2 13乙醛CH2OH| CH3 乙醇2 H14准备阶段 -消耗 ATP葡萄糖ATP葡萄糖 -6-磷酸果糖 -6-磷酸ATP1,6-二磷酸果糖甘油醛 -3-磷酸 二羟丙酮磷酸四、糖酵解第一阶段的反应机制（一）葡萄糖的磷酸化 Phosphorylation of GlucoseO HOHOHOHHO2-O3POCH2HHHO HOHOHOHHOHOCH2 HHH ATP ADPMg2+己糖激酶葡萄糖 G 6-磷酸葡萄糖 G-6-P己糖激酶：（ 1） 专一性不强 (mannose/fructose)（ 2） 受产物葡萄糖 -6-磷酸和 ADP抑制（变构抑制剂）葡萄糖激酶（肝脏）：（ 1） 只作用于葡萄糖（ 2）对葡萄糖的 Km较大 （与己糖激酶相比）葡萄糖 较高时作用， G6P促进糖原合成（ 3）不受产物葡萄糖 -6-磷酸的抑制意义：|活化葡萄糖；磷酸化后葡萄糖无法出细胞。|是细胞的保糖机制。葡萄糖与已糖激酶结合时的构象变化结合前 结合后（二） G-6-P异构化成果糖 -6-磷酸Conversion of Glucose-6-Phosphate to Fructose-6-PhosphateO HOHOHOHHO2-O3POCH2HHH. .OOHH HOHH OH CH2OH2-O3POCH2H C O|H C OH|HO C H |H C OH|H C OH|CH2OPO32-CH2OH|C O|HO C H |H C OH|H C OH|CH2OPO32-Glucose 6-phosphate (open-chain form) 6-磷酸葡萄糖G-6-PFructose 6-phosphate (open-chain form) 6-磷酸果糖F-6-P磷酸己糖异构酶 磷酸葡萄糖异构酶（磷酸果糖异构酶）异构时开环。 可逆反应 使羰基从 C1位转移到 C2位上， C1位上 -OH游离，为第二次磷酸化打基础磷酸己糖异构酶催化机制（三） F6P形成果糖 -1,6-二磷酸Phosphorylation of F6P to Fructose-1,6-BisphosphateOOHH HOHH CH2OHOH2-O3POCH2 OOHH HOHH CH2OPO32-OH2-O3POCH26-磷酸果糖激酶 -1ATP ADP6-磷酸果糖F-6-P1,6-二磷酸果糖F-1,6-BP磷酸果糖激酶 -1 ATP抑制 ATP既是底物又是变构抑制剂。怎么实现？结合部位不同。 AMP去除 ATP抑制作用 通过 AMP/ATP 比值调节酶活性 . H+过高抑制酶活性 避免酸中毒。（四） F-1,6-BP裂解 Cleavage of Fructose-1,6-BisphosphateH C O |H C OH|CH2OPO323-磷酸甘油醛CH2OPO32-|C O|CH2OH磷酸二羟丙酮CH2OPO32-|C O|HO C H |H C OH|H C OH|CH2OPO32-+醛缩酶 该反应 在 标准状况 下是吸能反应 在 生理条件 下是放能反应，两个三碳糖不断被消耗 高等植物组织 , 脊椎动物组织的醛缩酶不需要二价离子 Aldolase- type 许多微生物的 (细菌、酵母、真菌及藻类 )醛缩酶含 Zn2+Aldolase- typeXH B CH2OPO32-|C O|H C OH CH2OPO32-|C O|HO C H |H C O H|H C OH|CH2OPO32-X:BX:BCH2OPO32-|C=O|CH2OHDihydroxyacetonephosphateH C O |H C OH|CH2OPO32Glyceraldehyde3-phosphate| Fructose 1,6-bisphosphate is the aldol substrate.| Aldolases have an electron-withdrawing group ( X) that polarizes the C-2 carbonyl group of the substrate. One class of aldolase (from plants and animals) uses the amino group of a lysine residue at the active site, and the other (from fungi, algae, and some microorganisms) uses Zn2+ for this purpose. | A basic residue (designated B: ) removes a proton from the C-4 hydroxyl group of the substrate.Mechanism of aldol醇醛 cleavage catalyzed by aldolases醛缩酶催化反应机制（五） 两个磷酸丙糖的互变Interconversion of the Triose PhosphatesCH2OPO32-| C O| CH2OHH C O |H C OH|CH2OPO32甘油醛 -3-磷酸磷酸二羟丙酮丙糖磷酸异构酶 丙糖磷酸异构酶 8股 折叠链环抱成核心 ; 每条 折叠外围有 螺旋 ; 由无规卷曲相连 . 生理状况下磷酸甘油醛不断被消耗 , 磷酸二羟丙酮不断地被异构化 . 该反应平衡点时 :Enediolate intermediateH N NCH2 O OHC|CH2 H2C | H OH1C| 2C O |3CH2OPO32Glu-165His-95H N NCH2 O OC|CH2 H2C | HH | OH1C|2C O|3CH2OPO32Glu-165His-95Enediol intermediateH :N N:CH2 O OHC|CH2 H2C | H O 1C| 2C OH |3CH2OPO32Glu-165His-95HCH2 H O 1C| 2C OH |3CH2OPO32O O C|CH2 H2C | H N NGlu-165His-95H N NCH2 O OC|CH2 H2C | H O 1C|H 2C OH|3CH2OPO32Glu-165His-95Enediolate intermediate丙糖磷酸异构酶催化机制by radioisotopic tracer studies. Carbons 1,2, and 3 of one glyceraldehyde 3-phosphate are derived from carbons 4, 5, and 6 of glucose Carbons 1, 2, and 3 of the second glyceraldehyde 3-phosphate (converted from dihydroxyacetone phosphate) originate as carbons 3, 2, and 1 of glucose. The fate of the individual carbon atoms of a molecule of glucoseGlyceraldehyde 3-phosphateH C O |H C OH|CH2OPO32456Fructose-1,6-biphosphateCH2OPO32-|C O|HO C H |H C OH|H C OH|CH2OPO32-456123FructoseCH2OH |C O|HO C H |H C OH|H C OH|CH2OH 123456CH2OPO32-|C=O|CH2OHH C O |H C OH|CH2OPO32Dihydroxyacetonephosphatetriose phosphate isomeraseGlyceraldehyde 3-phosphate321123 aldolase放能阶段 -产生 ATP和 NADH甘油醛 -3-磷酸1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸NAD+PiNADHADPATPADPATP五、糖酵解第二阶段 放能阶段的反应机制（六）甘油醛 -3-磷酸的氧化Oxidation of Glyceraldehyde-3-Phosphate to 1,3-BisphosphoglycerateH C O |H C OH|CH2OPO323-磷酸甘油醛O C OPO32 |H C OH|CH2OPO321,3-二磷酸甘油酸NAD+ + Pi NADH + H+甘油醛 -3-磷酸脱氢酶 甘油醛 -3-磷酸脱氢酶催化机制。 甘油醛 -3-磷酸脱氢酶活性中心含游离 -SH，碘乙酸会抑制该酶的活性 不可逆。 砷酸盐与磷酸结构相似，替代磷酸形成 1-砷酸 -3-磷酸甘油酸 ，进一步水解为 3-磷酸甘油酸，无法形成形成高能磷酸键 解偶联剂 。 O C OAsO32 |H C OH|CH2OPO321-砷酸 -3-磷酸甘油酸甘油醛 -3-磷酸脱氢酶催化机制（七）高能磷酸基团的转移Transfer of Phosphate from 1,3- BPG to ADP O C OPO32 |H C OH|CH2OPO32O C O |H C OH|CH2OPO321,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸ADP ATP磷酸甘油酸激酶糖酵解中第一个产生 ATP的反应 底物水平磷酸化磷酸甘油酸激酶催化反应的机理Mechanism of the PGK reaction.（八） 3-磷酸甘油酸转变为 2-磷酸甘油酸Converston of 3-Phosphoglycerate to 2-PGO C O |H C OH|CH2OPO323-磷酸甘油酸O C O |H C OPO32|CH2OH2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶 磷酸甘油酸变位酶催化机制（九）磷酸烯醇式丙酮酸生成Dehydration of 2-Phosphoglycerate to Phosphoenolpyruvate 2-磷酸甘油酸O C O |C OPO32|CH2磷酸烯醇式丙酮酸烯醇化酶 H2O H2OO C O |H C OPO32|CH2OH 烯醇化酶与 2价离子结合后才有活性 氟化物 抑制剂Step 9. 烯醇化酶 (2-磷酸甘油酸脱水酶 )Enolase (2-phosphoglycerate dehydratase) reactionReaction mechanismof enolase.负碳中间物酶分子的活性部位慢快（十）丙酮酸及 ATP的产生Transfer of the Phosphate Group from Phosphoenolpyruvate to ADPO C O |C OPO32|CH2磷酸烯醇式丙酮酸O C O | C OH |CH2烯醇式丙酮酸O C O |C O|CH3丙酮酸丙 酮 酸激 酶Mg2+ 糖酵解中第二个产生 ATP的反应 底物水平磷酸化 丙酮酸激酶催化机制ADP ATP反 应 ATP葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 16-磷酸果糖 1,6-二磷酸果糖 11,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 21磷酸烯醇式丙酮酸 丙 酮 酸 21糖酵解过程中 ATP的消耗和产生葡萄糖 2Pi 2ADP 2NAD 2 丙酮酸 2ATP 2NADH 2H 2H2O六、由葡萄糖转变为丙酮酸的能量变化七、丙酮酸的去路COO|C O|CH3COO|CH OH|CH3OH|CH2|CH3S CoA|C O|CH3ADP + PiATP O24CO2O2CO2CO2O HOHOHOHHOCH2OHHHHATPGlycolysis丙酮酸有氧情况 缺氧情况三羧酸循环(动物植物等)乙醛酸循环(植物)乳酸发酵(动物) 乙醇发酵(植物酵母等)乳酸脱氢酶 （ lactate dehydrogenase ,LDH）LDH1（ H4） 分布于心肌 (H)LDH2（ H3M）