精简4-4糖代谢-4-戊糖磷酸途径和糖异生.ppt

Pentose Phosphate Pathway of Glucose Oxidation and Gluconeogenesis,第五节 戊糖磷酸途径和 糖异生作用,HMP, 掌握戊糖磷酸途径及其生物学意义 掌握（葡）糖异生途径及其生物学意义，要记住乙酰CoA不能净合成糖（植物, 微生物除外）,第五节 戊糖磷酸途径和糖异生作用,戊糖磷酸途径 （葡）糖异生作用,第五节 戊糖磷酸途径和糖异生作用,一 戊糖磷酸途径 (一)戊糖磷酸途径的反应历程 (二)戊糖磷酸途径的调控 (三)戊糖磷酸途径的生物学意义,戊糖磷酸（HMP或HMS）途径： （pentose phosphate pathway, PPP） 磷酸葡糖酸氧化途径 （ phosphogluconate oxidative pathway） 己糖单磷酸途径（支路） （hexose monophosphate pathway, HMP） （hexose monophosphate shunt, HMS） 磷酸己糖旁路（hexose phosphate shunt） 戊糖磷酸循环 (pentose phosphate cycle) Warburg-Dickens戊糖磷酸途径 在细胞溶胶中进行。,戊糖磷酸（HMP或HMS）途径：,戊糖磷酸途径 总览,戊糖磷酸途径的两个阶段,2、非氧化分子重排阶段 6 核酮糖-5-P 5 果糖-6-P 5 葡萄糖-6-P,1、氧化脱羧阶段：G-6-P 2NADPH + 2H+ + Ru-5-P+ CO2 6 G-6-P 6 葡萄糖酸-6-P 6 核酮糖-5-P 6 NADP+ 6 NADPH+6H+ 6 NADP+ 6 NADPH+6H+,6CO2,6H2O,(一)戊糖磷酸途径的反应历程,戊糖磷酸途径的反应历程,不可逆 G-6-P 2NADPH+H+ + Ru-5-P + CO2,氧化阶段：脱氢,水解,脱氢脱羧, 产生2分子NADPH/G-6-P,Mg2+,Mg2+,2. 非氧化阶段：反应都是可逆的。,醛酮异构化反应: Ru-5-P R-5-P,差向异构化: Ru-5-P Xu-5-P,C5 + C5 C3 + C7,转酮酶只识别糖C3上特定位置的羟基，转移2C酮基,TPP,C7 + C3 C4 + C6,C5 + C4 C3 + C6,G-6-P,糖异生作用,TPP,非氧化阶段分子重排,磷酸戊糖异构酶,转酮酶,转酮酶,醛缩酶,阶段之一,阶段之二,阶段之三,5-磷酸核酮糖 差向异构酶,磷酸戊糖途径,果糖-1，6-二磷酸酶,葡糖异生作用,课后阅读,3 Ru-5-P,1 R-5-P,2 Xu-5-P,2 F-6-P 1 甘油醛-3-P,6 Ru-5-P 5 F-6-P 5 G-6-P,戊糖磷酸途径 总览,2,CO2,CO2,CO2,戊糖磷酸（HMS）途径的总反应式,净结果是1分子G-6-P彻底氧化放出6CO2，生成12分子NADPH。,(二) 戊糖磷酸途径的调控 限速酶 :葡萄糖-6-磷酸脱氢酶，催化不可逆反应。 最重要的调控因子 : NADP+/NADPH的比值。NADPH 竞争抑制葡萄糖-6-磷酸脱氢酶。 NADPH/NADP+的比值大于10时，其抑制作用可达90%。 非氧化阶段的转酮或转醛反应都 是可逆的, 使HMS与EMP和糖异 生作用等密切联系，满足机体在 不同情况下对NADPH、磷酸戊 糖和ATP的需要。,HMS中G6P(G-6-P)的4种去路: 受机体对NADPH, 核糖-5-磷酸, ATP需要的调节 1. 对核糖-5-磷酸的需要 对NADPH的需要 5 G6P + ATP 6 核糖-5-磷酸 + ADP + H+ 2. 对R-5-P的需要和对NADPH的需要处于平衡状态 G6P + 2NADP+ + H2O 核糖-5-磷酸 + 2NADPH + 2 H+ + CO2 3. 对NADPH的需要对核糖-5-磷酸的需要 G6P + 12NADP+ + 7H2O 6 CO2+ 12NADPH + 12 H+ +Pi,EMP+HMS非氧 化阶段逆反应,HMS氧化阶段,HMS+糖异生,4. 需要NADPH和ATP时, 核糖-5-磷酸 丙酮酸 3 G6P + 6NADP+ + 5NAD+ + 5Pi + 8ADP 5丙酮酸 + 3 CO2+ 6NADPH + 5NADH + 8ATP +2H2O + 8H+ EMP途径, 戊糖磷酸途径氧化阶段, 非氧化阶段, 糖异生各途径的偶联方式不同。,HMS+EMP,EMP,EMP,（三）戊糖磷酸途径的生物学意义 1. 是细胞产生还原力(NADPH)的主要途径 (1) 为生物合成供氢: 脂肪酸和固醇类的合成,核苷酸 脱氧核苷酸 (2) 维持红细胞还原性（维持GSH还原性：维持蛋白 结构完整性；防止脂膜过氧化；维持血红素Fe2+的价态）,遗传缺陷葡萄糖-6-磷酸脱氢酶溶血性贫血症,(3) NADPH 参与肝脏生物转化反应，肝细胞内质网含有以NADPH 为供氢体的单加氧酶体系，参与激素、药物、毒物的生物转化过程。 (4) NADPH 参与体内嗜中性粒细胞和巨噬细胞产生离子态氧的反应，因而有杀菌作用。 是细胞内不同结构糖分子的重要来源,并为各种单糖的相互转变提供条件。形成包括C3 C7的各种醛糖和酮糖代谢中间产物。是机体内赤藓糖（ C4 ）、戊糖（ C5 ）、 景天庚酮糖（C7）等的主要代谢途径。产物 R-5-P 可用于合成核酸（RNA、DNA）和核糖核苷酸辅酶（CoA、NAD、FAD等） 3 由核酮糖-5-P转变成甘油醛-3-P的过程是光合作用三碳循环(Calvin循环)中相应过程的逆反应。CO2 葡萄糖(Glc) 是CO2的重要来源之一。,思考题: 设计实验证明戊糖磷酸途径在某组织中的活力情况.（即通过HMP途径代谢的 G6P与通过EMP和TCA循环途径代谢的G6P数量的比值？）参看P153倒数第17行-倒数第10行。,二 糖异生作用,（一）糖异生作用的生理意义 （二）糖异生途径及关键酶 （三）糖异生的前体及可立氏循环 （四）糖异生作用的调节及与EMP途径的协调,二 糖异生(gluconeogenesis)作用: 由非糖物质（乳酸、丙酮酸、氨基酸、甘油等）合成葡萄糖的作用。 主要在肝脏中进行, 其次是肾脏。 脑和肌肉不能进行糖异生. 乳酸和丙氨酸肝脏 在线粒体基质，细胞溶胶和内质网内中共同完成.,（一）糖异生的生理意义: （1）补充糖供应的不足，维持血糖稳定（80-120mg/100ml血）。在饥饿或剧烈运动时，糖原储备下降，体内葡萄糖供应不足时，需要糖异生作用以维持血糖水平，满足生理需要。特别对大脑, 红细胞, 睾丸,肾髓质及眼晶状体等主要利用葡萄糖供能的组织尤为重要。 （2） 清除血液中其他组织的代谢产物。如肌肉中及红细胞中糖酵解产生的乳酸等。 （3）促进肾小管泌氨，维持酸碱平衡，防止酸中毒。长期禁食后肾脏的糖异生明显增加，肾脏中的-酮戊二酸可转变为草酰乙酸，然后经糖异生途径生成葡萄糖，这一过程可促进肾脏中的谷氨酰胺及谷氨酸脱氨基，生成NH3，后者可用于中和H+，故有利于维持酸碱平衡。,前面二个反应的逆反应可由相应的酯酶催化,G-6-P+H2O,由PyPEP需二个酶的催化,F-1,6-dip+H2O,糖异生的途径基本上是糖酵解的逆转，糖酵解中有三步反应是不可逆的，在糖异生中需要由其他酶催化。,（二）糖异生途径及关键酶,糖异生途径反应历程： （1）丙酮酸形成PEP：第一个不可逆步骤。 ATP ADP + Pi a. 丙酮酸 + CO2 + H2O 丙酮酸羧化酶 草酰乙酸 +2H+ 乙酰CoA，Mg2+ 丙酮酸羧化酶：,以生物素为辅基。 乙酰-CoA是酶的 别构激活剂 只存在于线粒体中,b. 草酰乙酸还原为苹果酸后(NADH为氢供体)，通过二羧酸转运系统穿越线粒体膜进入细胞质，再脱氢成为草酰乙酸。,c. 草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 PEP + CO2 GTP GDP,ATP, H2O,ATP , H2O,（2）细胞质中的PEP依照EMP逆反应生成F 1,6 2P： PEP 2-P-甘油酸 3-P-甘油酸 ATP 1,3-2P-甘油酸 NADH 3-P-甘油醛 F -1,6 -2P DHAP （3） F 1,6 2P F 6 P ：第二个不可逆步骤： F 1,6 2P + H2O 果糖-1,6-二磷酸酶 F 6 P + Pi,（4） F6P 依照逆反应生成G6P，进而生成葡萄 糖。后一步反应是第三个不可逆步骤。 G 6 P + H2O 葡萄糖-6-磷酸酶 葡萄糖 + Pi 葡萄糖-6-磷酸酶：结合于光面内质网膜上，存在于肝、 肠、肾细胞。肌肉和脑中不存在。,肝细胞,P182,Pi transporter T2,Glc transporter T3,糖酵解和葡萄糖异生的关系,A 葡萄糖-6-磷酸酶 B 果糖-1.6-二磷酸酶 C1 丙酮酸羧化酶 C2 PEP羧激酶,（胞液）,（线粒体）,葡萄糖,丙酮酸,草酰乙酸,苹果酸,磷酸二羟丙酮,3-P-甘油醛,NAD+,乳酸,NADH + H+,丙氨酸,TCA循环,乙酰CoA,PEP,G-6-P,F-6-P,F-1.6-BP,丙酮酸,草酰乙酸,NADH + H+,苹果酸,3-P-甘油,甘油,NAD+,天冬氨酸,天冬氨酸,PEP,H2O,H2O,课后阅读,-ATP,-GTP,-ATP,-NADH,糖异生途径及关键酶,葡糖异生作用的总反应式为： 2丙酮酸 + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H+ + 6H2O 葡萄糖 + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 2NAD+ G = - 37.66 KJ/mol = - 9kcal /mol,(三) 糖异生的前体及可立氏循环：, 糖异生的前体: 草酰乙酸、苹果酸等TCA循环中间物 生糖氨基酸丙酮酸 乳酸再利用： Cori循环（克立氏循环） 乳酸（肌肉） 血液 肝脏 丙酮酸 糖异生葡萄糖 血液 肌肉 甘油磷酸二羟丙酮 糖异生 动物体中乙酰CoA不能作为糖异生的前体！,乳酸循环(lactose cycle) （Cori 循环）,葡萄糖,葡萄糖,葡萄糖,丙酮酸,乳酸,乳酸,乳酸,丙酮酸,血液,无效（用）循环（futile cycle）：也称为底物循环，没有物质形式的实质性转变，只有能量净变化. 糖酵解和葡糖异生作用如果同时等速进行, 即一方面葡萄糖转变成丙酮酸, 另一方面丙酮酸又重新合成葡萄糖. 在这种往复转变的过程中, 对机体来说, 一个循环只是净消耗了2个ATP分子和2个GTP分子, 释放热量, 因此, 这种循环又称无效循环. 两种途径相互制约和相互协调的: 关键酶的活性和浓度的调节 底物浓度的调节,思考题：无效循环是否真的没有意义？,（三）糖异生途径的调节及与EMP的协同调控：,二、糖异生的调节,底物循环(substratecycle) 一对酶催化两个途径的中间代谢物之间循环的方向相反、代谢上不可逆的反应。有时该循环通过ATP的水解导致热能的释放。,糖异生途径的调节及与EMP的协调,参与催化的关键酶是关键调控点：,（1） 关键控制点一： 是 F 6 - P 和 F 1,6 2P的转化。 调控的关键酶： (EMP) （糖异生）： 磷酸果糖激酶(PFK) F-1,6- 二磷酸酶 （-） （+） （+） （-） ATP、柠檬酸 AMP 、2,6 - 二磷酸果糖,（2） 控制点二：,丙酮酸和PEP的相互转化。 调控的关键酶： ( EMP )： (糖异生)： 丙酮酸激酶 丙酮酸羧化酶 （-） （+） （-） ATP、NADH 乙酰CoA、 ATP 、Ala,（+）,前馈激活,（3）激素的协调作用：,饥饿或剧烈运动时: 肾上腺素、胰高血糖素、糖皮质激素： 增加PEP羧激酶和葡萄糖-6-磷酸酶的合成，促进葡糖异生。 通过cAMP级联放大作用，激活蛋白激酶，促进： 磷酸果糖激酶 丙酮酸激酶 磷酸化 活力下降 EMP（-） F 1,6 二磷酸酶 磷酸化 活力提高，葡糖异生（+） 胰岛素：作用与上述激素相反。,戊糖磷酸途径提供了葡萄糖-6-磷酸的另外一条代谢途径。戊糖磷酸途径分为两个阶段：氧化阶段和非氧化阶段。在氧化阶段，每一分子的葡萄糖-6-磷酸在转化为核酮糖-5-磷酸和CO2的同时生成两分子的NADPH。非氧化阶段包括核酮糖-5-磷酸转化为核苷酸和核酸生物合成所需要的核糖-5-磷酸以及转化为糖酵解和糖异生的中间产物丙糖磷酸和己糖磷酸。,糖异生是一个由非糖物质，例如乳酸和氨基酸，合成葡萄糖的途径。糖异生中的许多反应都是糖酵解反应的逆反应，而糖异生中一些特异的酶是用来催化丙酮酸向磷酸烯醇式丙酮酸的不可逆转化（丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶），果糖-1,6-二磷酸向果糖-6-磷酸转化（果糖-1,6-二磷酸酶）和葡萄糖-6-磷酸向葡萄糖的转化（葡萄糖-6-磷酸酶）。,6,1 作业题：P174，5，6，设计一实验测定戊糖磷酸途径进行的速率。 P174，1，2，3，4，8 许多组织中，对细胞损伤的最早期反应之一是快速地增加参与磷酸戊糖途径的酶的水平。损伤后10天，心脏组织的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的水平是正常水平的20至30倍，而糖酵解酶只有正常水平的10%至20%。解释此现象。 如果柠檬酸循环与氧化磷酸化整个都被抑制，那么是否能从丙酮酸净合成葡萄糖？ 5 鸡蛋清中的抗生物素蛋白对生物素的亲和力极高，如果将该蛋白加到肝脏提取液中，对丙酮酸经糖异生转化为葡萄糖有什么影响？,6. 名词解释: 戊糖磷酸途径 糖异生作用 无效循环 可立氏循环(Cori cycle) 戊糖磷酸途径（pentose phosphate pathway）： 也称之磷酸己糖支路（hexose monophosphate shunt）。是一个葡萄糖-6-磷酸经代谢产生NADPH和核糖-5-磷酸的途径。该途径包括氧化和非氧化两个阶段，在氧化阶段，葡萄糖-6-磷酸转化为核酮糖-5-磷酸和CO2,并生成两分子的NADPH；在非氧化阶段，核酮糖-5-磷酸异构化生成核糖-5-磷酸或转化为酵解中的两个中间代谢物果糖-6-磷酸和甘油醛-3-磷酸。,无效循环（futile cycle）：也称之底物循环（substrate