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分解代谢：4.1 糖代谢概述主要能源物质；重要的C源，其中间产物可转化为氨基酸，脂肪酸，核苷等；构成机体的重要物质；特殊功能：如糖蛋白，ATP,NAD等。4.2 糖的消化、吸收和运输乳糖不耐受综合症：缺乏乳糖酶糖吸收是以单糖形式，部位是小肠上段。由肠道进入小肠上皮细胞是钠单糖协同运输，由上皮细胞进入毛细血管是促进扩散。4.3 糖酵解和已糖的分解代谢（包括戊糖磷酸途径）EM途径（葡萄糖丙酮酸）糖酵解：葡萄糖分解为丙酮酸并伴随着生成ATP的过程。反应部位：胞液在准备阶段（六C部分）耗二ATP,在收益阶段（三C部分）生成四ATP。丙酮酸的三种命运：生成酒精和CO2，生成乳酸，生成已酰辅酶A进入三羧酸循环。EM：一葡萄糖六磷酸葡萄糖，不可逆，已糖激酶，耗ATP。己糖激酶（hexokinase）存在于所有细胞，通常可以磷酸化葡萄糖，也可以磷酸化果糖、甘露糖等。己糖激酶是一种调节酶，ADP和反应产物葡萄糖-6-磷酸是该酶的变构抑制剂。 在肝细胞中，同时存在另一种己糖激酶葡萄糖激酶（glucokinase），对葡萄糖有特异活性，两者的酶动力学和调节特性不同，对血糖调节具有重要意义。二六磷酸葡萄糖六磷酸果糖，磷酸己糖异构酶，可逆，三六磷酸果糖16二磷酸果糖，磷酸果糖激酶1PFK-1，不可逆，关键步骤，限速酶。这步反应是酵解中的关键步骤（committed step），酵解速度取决于PFK-1活性，因此也称之为限速酶。四16二磷酸果糖甘油醛3磷酸二羟丙酮磷酸，醛缩酶aldolase,可逆五二羟丙酮磷酸甘油醛3磷酸，磷酸丙糖异构酶。可逆。注意C原子的顺序变化）六甘油醛3磷酸1二磷酸甘油酸，甘油醛3磷酸脱氢酶，产一个NADH.七1二磷酸甘油酸3磷酸甘油酸，磷酸甘油酸激酶，底物水平磷酸化，产ATP.八3磷酸甘油酸磷酸甘油酸，磷酸甘油酸变位酶，九磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸，烯醇化酶，脱水。十磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸ATP。丙酮酸激酶，底物水平磷酸化EM小结PAGE 40-41：关键酶：已糖激酶hexokinase,磷酸果糖激酶phosphofructokinase-1,丙酮酸激酶pyruvate kinase. 反应可分为两个阶段，净获能量2ATP和2NADH。 共10步反应，其中3步为不可逆反应，同时也是代谢途径的三个调控点。 所有中间物都以磷酸化合物形式实现。 Q: 意义是什么乳酸发酵（lactate fermentation）无氧条件下，丙酮酸在乳酸脱氢酶的催化下还原为乳酸。消耗NADH。（实质上是加H）糖酵解乳酸发酵途径的生理意义： 缺氧条件下迅速为生命活动提供能量的途径，尤其对肌肉收缩更为重要。 是机体某些组织获能或主要获能的方式，如视网膜、神经、癌组织等。成熟红细胞几乎完全依赖糖酵解供应能量。 乳酸的利用：可通过乳酸循环（Cori cycle）在肝脏经糖异生途径转化为糖。同工酶（Isozymes） 催化同一反应的不同蛋白质（酶） 同工酶具有相似的氨基酸序列，可存在于同一组织，甚至同一细胞，但它们在酶动力学、调控活性、辅助因子、细胞分布等方面可能会有所差异。乳酸脱氢酶（LDH）是同工酶的代表。五种同工酶的酶活性有差异，如A4易于与丙酮酸结合，把丙酮酸还原为乳酸，而B4易于把乳酸氧化为丙酮酸。同工酶在代谢调控中的调控方式： 在不同的组织器官表现不同的代谢作用。 在同一细胞不同位置代谢作用不同。 在不同的发育阶段或不同的生理状态，由不同的同工酶起作用。 不同的同工酶对变构调节剂的调节反应不同。乙醇发酵一些酵母和其它微生物在无氧条件下，丙酮酸先后经丙酮酸脱羧酶（仅在少数发酶菌种中有，以TPP，焦磷酸硫胺素作为辅因子）和乙醇脱氢酶（包括人体在内的生物大多具有）的催化作用，脱羧还原为乙醇。EM途径的调节：1. PFK-1：最重要的调控点。ATP，柠檬酸是它的变构抑制剂，而ADPAMP是它的变构激活剂，而果糖26二磷酸则是它最强的变构激活剂，其活性与胰高血糖素相关。2. 丙酮酸激酶（pyruvate kinase）变构抑制剂：ATP、丙氨酸（肝）3. 变构激活剂：1,6-双磷酸果糖4. 己糖激酶、葡萄糖激酶（hexokinase, glucokinase）变构抑制剂：6-磷酸葡萄糖戊糖磷酸途径Pentose phosohate pathway 概念 以6-磷酸葡萄糖开始，在6-磷酸葡萄糖脱氢酶催化下形成6-磷酸葡萄糖酸，进而代谢生成磷酸戊糖作为中间代谢产物，故将此过程称为戊糖磷酸途径。生理意义 产生NADPH和5-磷酸核糖。也是植物光合作用从CO2合成葡萄糖的部分途径。 磷酸戊糖途径的调节 氧化阶段：6-磷酸葡萄糖脱氢酶（G6PD）是限速酶。NAPDH反馈抑制酶的活性。 非氧化阶段：受控于底物浓度。葡萄糖6磷酸脱氢酶缺乏症简称G6PD缺乏症又称蚕豆病。是一种遗传病。症状：红细胞在一些因素的诱发下溶解，血红蛋白释放到血液中，引起黄疸和肾功能障碍。（不能产NADPH,谷胱甘肽抗氧化后不能再生）4.4 三羧酸循环（包括乙醛酸循环），又称柠檬酸循环，KREB循环。是糖、脂肪、氨基酸等化合物生物氧化的共同通路，也是各代谢途径连接的枢纽。 生物氧化可分三个阶段： Stage1：乙酰CoA的生成。 Stage2：乙酰CoA的彻底氧化。（TCA cycle） Stage3：电子传递和氧化磷酸化。生物氧化特点：逐步缓和地释放能量，能量储存在ATP中。丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA 反应部位：线粒体 （严密调节的不可逆步骤） 氧化脱羧反应由丙酮酸脱氢酶复合体（丙酮酸脱氢酶系）催化。该复合酶体的组成。三羧酸循环的反应部位：真核细胞的线粒体和原核细胞的胞浆2C的乙酰基以乙酰CoA的形式加入循环，首先和草酰乙酸反应，经过8步反应，释放2CO2和能量，最后再生一个草酰乙酸。柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸酮乌二酸CO2琥珀酰辅酶+CO2琥珀酸延胡索酸苹果酸草酰乙酸通过氧化磷酸化，1分子NADH产生2.5ATP，1分子FADH2产生1.5ATP。1分子葡萄糖彻底氧化产生3032ATP。P9697关于TCA循环中能量的产生。 生理意义：TCA的中间代谢物可作为合成葡萄糖、氨基酸、核苷酸、脂肪酸、胆固醇、胆红素等物质的前体。当这些中间代谢物被移走后，就要通过回补反应来合成补充，才能维持TCA的正常进行。一些厌氧细菌缺乏酮戊二酸脱氢酶，它们通过不完整的TCA获得生物合成的前体。这种不完整的TCA可能是TCA早期进化的一个阶段 丙酮酸脱氢酶复合体的调节： 丙酮酸脱氢酶复合体的别构抑制剂是一些反应产物和高能荷信号分子，如ATP、乙酰CoA、NADH、脂肪酸等；别构激活剂是一些低能荷信号分子，如AMP、CoA、NAD+、Ca2+等。 （产物抑制和能量控制） 共价修饰 丙酮酸脱氢酶复合体中还有两个调节蛋白，一个是磷酸激酶，另一个是磷酸酶。磷酸化位点是E1中的Ser残基。 三羧酸循环的调节： 三羧酸循环中三步不可逆的放能反应是其调节位点。 催化这三步反应的酶受到产物反馈抑制（如柠檬酸、琥珀酰CoA等），也受到高能荷物质抑制（如ATP、NADH等）。 催化这三步反应的酶受到低能荷物质（如ADP等）或能量需求信号（如Ca2+）激活。 由于三羧酸循环的中间物可作为前体用于生物合成，因此底物的浓度对于调节也是比较重要的。（如草酰乙酸）一轮三羧酸循环，经过8步反应，释放2CO2，生成3NADH、1FADH2和1GTP（或ATP）。乙醛酸循环Glyoxylate cycle是三羧酸循环的修改形式。在植物、一些无脊椎动物和一些微生物中存在，但不存在于脊椎动物中。反应部位：乙醛酸循环体生理意义：是乙酸或乙酸盐转化为糖的途径。如种子发芽时，能将脂肪转化为糖。本部分主要代谢途径：1. Glycolysis ( lactate fermentation, ethanol fermentation )2. Pentose phosphate pathway3. Citric acid cycle4. Glyoxysome cycle4.5 糖异生由非糖化合物（：主要指丙酮酸）转化为葡萄糖的过程称为糖异生。非糖化合物主要是丙酮酸、乳酸、甘油、3-磷酸甘油醛等糖异生存在于所有生物体中。从磷酸烯醇式丙酮酸到葡萄糖-6-磷酸是共同的途径。在哺乳动物中，其作用部位主要在肝脏，部分在肾上腺皮质。 糖异生的生理意义： 重要的生物合成葡萄糖的途径。对脑组织、红细胞尤为重要。 空腹或饥饿时依赖氨基酸、甘油等异生成葡萄糖维持血糖水平的恒定。 补充肝糖原的重要途径。 长期饥饿时肾糖异生有利于调节酸碱平衡。 再利用乳酸（乳酸循环），防止因乳酸堆积引起酸中毒从丙酮酸生成葡萄糖是糖异生的中心途径。这条途径不是糖酵解的简单逆反应。糖酵解的三步不可逆反应由不同的反应（称之为绕道反应 “bypass”）来完成。（ 从丙酮酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸（有两条途径。途径1以丙酮酸、Ala为前体; 途径2以乳酸为前体。两条途径都涉及一个羧化、脱羧的过程。目的是激活底物丙酮酸。）1分子丙酮酸转化为1分子PEP，需要消耗2个高能磷酸键。关键酶：丙酮酸羧化酶，PEP羧激酶。 从果糖-1,6-二磷酸转变为果糖-6-磷酸（放能反应，关键酶：葡萄糖16二磷酸酶） 从葡萄糖-6-磷酸转变为葡萄糖（放能反应，关键酶：葡萄糖6磷酸酶，骨骼肌和脑组织没有葡萄糖-6-磷酸酶，不能通过糖异生产生葡萄糖。它们的葡萄糖由肝或肾糖异生、或消化吸收的葡萄糖通过血液提供。）通过糖异生，2分子丙酮酸转变为1分子葡萄糖需要6个高能磷酸键。Gluconeogenesis is expensive!糖异生的前体：能生成丙酮酸的物质，如TCA循环中间物，以及能转化成这些中间物的大部分氨基酸（生糖氨基酸，除了Lys,Leu）乳酸等。但脂肪酸不能。肌肉中葡萄糖通过糖酵解分解为乳酸，乳酸通过血液循环运输到肝脏，然后通过糖异生生成葡萄糖，葡萄糖又可通过血液循环重新被肌肉摄取利用。这个过程称为乳酸循环（Cori cycle）肌肉没有将丙酮酸转化成葡萄糖6磷酸的酶，因此必须运输于肝脏。脊椎动物的乙酰CoA不能转化为丙酮酸，因此不能作为糖异生的前体。植物和一些细菌通过乙醛酸循环将乙酰CoA转化为草酰乙酸作为糖异生前体。互逆的产能和耗能代谢过程同时进行，使ATP以热量形式散发。这种不经济的过程称为无效循环。在正常状态下，机体以相互协调的调节方式避免无效循环的发生。但有时候，机体利用无效循环产生热量来提高或维持体温。4.6 糖原的合成与分解糖原的降解从糖原的非还原性末端葡萄糖残基开始，-1,4糖苷键断裂，生成葡萄糖-1-磷酸（在磷酸葡萄糖变位酶（phosphoglucomutase）的催化下，Glc-1-P 转变为Glc-6-P。）和少一个葡萄糖基的糖原分子。这是由糖原磷酸化酶（glycogen phosphorylase）催化的磷酸解反应磷酸化酶在离-1,6糖苷键分支点的4个Glc处停止作用。接着由脱分支酶（debranching enzyme）将分支的3个糖残基转移到直链的4个糖基上。剩余的一个糖残基以-1,6糖苷键与糖原相连。这个键再由脱分支酶水解。线性糖链又可继续由糖原磷酸化酶进一步降解。在肝、肾和小肠中，Glc-6-P被葡萄糖6-磷酸酶（glucose 6-phosphatase）水解为Glc，进入血液循环。在肌肉和脑组织中没有这种酶，Glc-6-P可进入糖酵解途径。糖原磷酸化酶是别构酶，有a、b两种形式。其活性通过可逆的磷酸化/去磷酸化来调节。辅酶磷酸吡哆醛（ Pyridoxal phosphate，PLP）作为质子的供体和受体。（P）肝脏和肌肉的糖原磷酸化酶属同工酶，两者调控方式有一些差异。 糖原的分解代谢在肌肉和肝脏中有着不同的生理意义：肌肉是产生ATP，肝脏为其它组织提供Glc。 肝脏和肌肉的磷酸化酶均存在a型、b型两种形式。 肌肉和肝脏中的磷酸化酶b激酶分别由两种激素调控。肌肉是肾上腺素（epinephrine），肝脏是胰高血糖素（glucagon）。 除肾上腺素，肌肉中的磷酸化酶还受到 Ca2+和AMP的调节。 肝脏中的磷酸化酶主要受到胰高血糖素和Glc的调节。 当血糖水平低时，胰高血糖素使磷酸化酶b激酶活性增强，从而使磷酸化酶b磷酸化转变为有活性的磷酸化酶a。肝糖原分解，释放Glc进入血中，血糖提高。 当血糖水平恢复正常时，Glc结合到磷酸化酶a的Glc别构位点，酶的构象改变暴露出磷酸化位点，利于磷酸化酶a磷酸酶水解，于是，磷酸化酶a转变磷酸化酶b，抑制肝糖原分解。肝脏中磷酸化酶是a glucose sensor。糖原合成存在于所有动物组织中，但在肝脏和骨骼肌中活性最强糖原合成是耗能过程，需要糖原引物分子，糖基的供体是UDPG（UDP-Glucose），而不是Glc-1-P。糖原的分支合成由糖原分支酶催化。糖原合成需要引物。引物的合成由生糖原蛋白（glycogenin）同时作为引物和酶来完成。糖原合酶存在a型和b型两种形式。通过可逆的磷酸化/去磷酸化调节活性。a型是去磷酸化的活性形式，b型是磷酸化的低活性形式。（与糖原磷酸化酶相反）糖醛酸途径指从Glc-6-P或Glc-1-P开始，经UDP-葡萄糖醛酸生成糖醛酸的途径。生理意义：1.形成许多重要的粘多糖2.能够转变为抗坏血酸抵御坏血病，而人和动物自身不能合成3.与某些药物或异物结合并排出体外，解毒作用4.从糖醛酸可形成木酮糖，与磷酸戊糖途径相连糖原的分解是由糖原磷酸化酶催化的磷酸解反应。4.7 糖代谢的调节糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化之间的协调控制糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化的速度受细胞能荷水平的控制。ADP含量高时，刺激氧化磷酸化和丙酮酸氧化，从而加速三羧酸循环。相反，ATP含量高时，可减慢氧化磷酸化、糖酵解和三羧酸循环。 巴斯德效应：在厌氧条件下，高速酵解的酵母若通入氧气，葡萄糖消耗速度急剧下降，酵解积累的乳酸迅速消失。这种耗氧的同时，葡萄糖消耗减少，乳酸堆积终止的现象，称为巴斯德效应。糖异生和糖酵解之间的协调控制：为了避免无效循环的发生，两条途径相互协调、互为相反地进行调节。通常表现为同一调节因子（如别构效应剂）对两条途径相应的酶作用相反。Glc-6-P抑制己糖激酶，激活葡萄糖6-磷酸酶，从而抑制酵解，促进糖异生。乙酰CoA抑制丙酮酸脱氢酶复合体，激活丙酮酸羧化酶，从而抑制酵解，促进糖异生。AMP抑制FBPase-1，激活PFK-1，从而抑制糖异生，促进酵解。柠檬酸抑制PFK-1，激活FBPase-1，从而抑制酵解，促进糖异生。果糖-2,6-二磷酸抑制FBPase-1，激活PFK-1，从而抑制糖异生，促进酵解。果糖-6-磷酸和果糖-1,6-二磷酸之间的转化是糖酵解和糖异生的重要调控点。果糖-2,6-二磷酸是这一步骤的重要别构效应物。注意：果糖-2,6-二磷酸是调节因子，但不是代谢中间物。胰高血糖素通过调节果糖-2,6-二磷酸的水平起到抑制酵解，促进糖异生的作用。PFK-2，FBPase-2是一个双功能蛋白的两种酶活性。PFK-2，FBPase-2酶活性受胰高血糖素通过磷酸化/去磷酸化来调节。糖原分解和糖原合成之间的协调控制：糖原磷酸化酶和糖原合酶的酶活性通过可逆的磷酸化/去磷酸化循环来调节。但作用相反。糖原的分解和合成通过激素进行协调的调节。如肾上腺素或胰高血糖素激活protein kinase A，最终导致糖原磷酸化酶和糖原合酶的磷酸化，于是，前者被激活，后者被抑制。人体血糖水平保持恒定。这不仅是糖、脂肪、氨基酸代谢协调的结果，也是肝、肌肉、脂肪等各组织器官代谢协调的结果。这种精确调控主要靠激素的调节。升高血糖的激素：胰高血糖素（glucagon），肾上腺素，糖皮质激素。降低血糖激素：胰岛素(insulin)。高血糖: 空腹血糖7.22-7.78mmol/L低血糖：空腹血糖3.33-3.89mmol/L合酶指的是催化的缩合反应没有NTP（如ATP或GTP）作为能源的。合成酶指的是催化的缩合反应有NTP（如ATP或GTP）作为能源的。激酶催化的是磷酸化（phosphorylation）反应。是把磷酰基从NTP，如ATP转移到一个受体分子磷酸化酶催化的是磷酸解（phosphorolysis）反应。是用磷酸攻击分子，然后磷酰基与断裂键共价结合。磷酸酶催化的是去磷酸化（dephosphorylation）反应。是把磷酰基从磷酸酯键去除，并用水分子攻击底物。氧化磷酸化定义：NADH和FADH2的电子通过一系列电子传递载体传递给O2，由此产生一个跨膜的质子梯度使ADP磷酸化形成ATP。5.1 氧化还原电势某一化合物的氧化型和还原型，称为一对氧化还原对（redox pair） （氧化型：电子受体。还原型：电子供体）电极电势代表着氧化还原对得失电子的能力。低电极电势的氧化还原对倾向于失去电子， 高电极电势的氧化还原对倾向于得到电子。标准还原势（E0 ），代表着一对氧化还原对对电子的相对亲和力（affinity），即E0 低，倾向于失去电子， E0 值高，倾向于得到电子。如何从标准还原势（E0 ）判断氧化还原反应方向？ 电子是从低E0 的氧化还原对流向高E0 的氧化还原对。即低E0 的氧化还原对的还原型失去电子，高E0 的氧化还原对的氧化型得到电子。自由能变化意味着一个体系转移电子的能力。自由能变化越大，体系转移电子的能力越强。5.2 电子传递过程和呼吸链呼吸链：指催化氢（包括电子）传递的酶及辅酶/辅基的连锁反应体系，它们按电子亲和力递增的顺序排列。呼吸链的分布部位在原核细胞位于质膜，在真核细胞位于线粒体的内膜。电子载体传递电子方式： 作为氢原子（He-），如FAD/FADH2 。 作为氢负离子（:H- 或者 H2e-） ，如NAD+/NADH 。 单纯电子（ e- ），如Fe2+/Fe3+。电子载体：1. 吡啶核苷酸类：NAD+， NADP+2.黄素核苷酸类（flavin nucleotide）FMN ， FAD3.辅酶Q（coenzyme Q, or Q）又称泛醌，脂溶性化合物4. 细胞色素类（cytochromes）5. 铁硫蛋白（iron-sulfur protein, Fe-S protein大多数脱氢酶以NAD+为辅酶，有的以NADP+为辅酶，极少数能用NAD+或NADP+两种辅酶。一般说，用于分解代谢的脱氢酶以NAD+为辅酶， NADP+多用于合成代谢NAD(P)+既存在于胞液中，又存在于线粒体中，彼此不能自由通过线粒体内膜(见NADH shuttle systems) 。某一部位的NAD(P)+只能与该部位的脱氢酶结合。FMN /FAD 与蛋白质结合紧密（有时候是共价结合），因而结合蛋白通称为黄素蛋白。其还原电势取决于结合的蛋白质， FMN /FAD只是黄素蛋白的活性部位CoQ在线粒体内膜中以膜结合和游离两种形式存在。可接受多种黄素蛋白类脱下的氢原子。这些特性使CoQ在电子传递链处于中心位置，在黄素蛋白类与细胞色素类之间作为一种灵活的载体起作用，并且在电子传递和质子移动的偶联起重要作用根据吸收光谱的不同，分为细胞色素a、细胞色素b和细胞色素c三类。它们各自的血红素辅基在结构上有一些差异。细胞色素类载体单纯传递电子。（通过其结合的金属离子传递）在电子传递链中，还有一类铁不是存在于血红素辅基中，而是与无机硫（S）原子或/和蛋白质分子中的Cys残基的S原子相连，这种结构称为铁硫中心（iron-sulfur center, Fe-S center）。结合蛋白质称为铁硫蛋白。单纯传递电子。呼吸链（respiratory chain ）的组成：四个多蛋白复合体（其中三个是质子泵）和两个移动电子载体（辅酶和细胞色素）呼吸链的辅基包括：FMA,FAD,HEMES,铁硫簇，铜离子。复合体一：NADH脱氢酶，NADH进入呼吸链并且将电子传递给辅酶。放能的电子传递与需能的质子泵出相耦联。复合体二：琥珀酸盐脱氢酶黄素蛋白中的FADH2同样转移电子给辅酶。这一步释放的能量不足以推动质子泵。复合体三：泛醌：细胞色素氧化还原酶也叫细胞色素bc1复合体QH2的电子传递给细胞色素其功能中心包括三个亚基：细胞色素，铁硫蛋白，细胞色素。QH2的一个电子传递方向：QH2Fe-S centercyt c1s hemecyt cs heme另一电子传递方向：QH2cyt b(bl & bh)Q&Q负离子。称为循环。细胞内膜上的细胞色素C接着移向复合体四。同时电子传递引起质子泵出。复合体四：细胞色素氧化酶，也叫做细胞色素aa3复合体细胞色素C的电子传递给O2.内含三个电子和两个血红素亚基作为电子载体。还原一分子O2需传递四电子，同时泵出四质子。同时也消耗四个质子。（与O2结合成水）伴随着电子传递链，每氧化一分子的NADH泵出10质子，氧化一分子FADH2泵出6质子。由此形成一个跨越线粒体内膜的质子梯度。其储存的能量可用来合成ATP或其它工作。4种复合物可完整地从线粒体内膜分离，每种复合体都有特定的电子供体和电子受体，间接说明呼吸链各成分是有序的。如果将O2（electron acceptor）供给完全处于还原态的呼吸链，呼吸链上的各个电子载体按顺序被氧化。首先是cyt aa3，依次向前推是cyt c、cyt b，最后是NADH电子传递的抑制剂:能够专一性阻断呼吸链中某一部位电子传递的化学物质。原理:阻断位点前的组分处于还原状态, 阻断位点后的组分处于氧化状态。重要电子传递抑制剂: 鱼藤酮, 阿米妥, 粉蝶霉素A,抗霉素A,CN- , CO5.3 氧化磷酸化氧化磷酸化：在呼吸链电子传递过程中释放的能量使ADP磷酸化生成ATP的过程。NADH+H+3ADP+3Pi- NAD+4H2O+3ATP氧化磷酸化的偶联机制化学渗透模型Chemiosmotic Model揭示了氧化磷酸化和光合磷酸化过程的本质。化学渗透模型: 呼吸链电子传递释放的能量驱动质子从线粒体内膜进入线粒体膜间腔，从而产生一个跨线粒体内膜的质子电化学梯度。这种电化学梯度贮存的能量形成一种质子驱动力( proton-motive force ) 。 当它驱动质子通过ATP合酶流回线粒体基质的同时，催化ATP的合成。化学渗透模型是关于电子传递和ATP合成偶联 ( coupling )的理论。ATP的合成取决于线粒体中电子流的发生，而电子流动同样依赖于ATP的合成。二者缺一不可。解偶联剂（uncouplers）:只抑制ATP的形成过程，不抑制电子传递过程，使电子传递和ATP形成两个过程分离，电子传递产生的自由能转变为热量。其机制：使H+不经Fo回流，破坏电化学梯度，因而不能形成ATP，而是以热量形式释放能量。典型的解偶联剂为2,4-二硝基苯酚（DNP）。婴儿和其他初生的哺乳类以及冬眠动物的颈部和背部上方有一种特殊的脂肪组织，称为褐色脂肪。这种褐色脂肪细胞富含线粒体，并且线粒体上有产热蛋白，又称解偶联蛋白（uncoupling protein，UCP-1），是H+通道，可将电子传递泵出线粒体的H+流回线粒体内，而不是通过FoF1 ATP酶。其生理意义是产热御寒。如缺乏这种蛋白，会导致新生儿硬肿症。离子载体（ionophores）:通过增加线粒体内膜对一价阳离子的通透性破坏跨膜电荷梯度，从而使影响ATP形成。如缬氨霉素-K+复合物人工电荷梯度最终证实了化学渗透模型的正确性。ATP生成的结构-ATP合酶(ATP synthase)：具有两个截然不同的结构成分：F0&F1Fo：质子通道。F1 ：合成ATP。体外水解ATP，也称为F1 ATP酶。ATP合酶的结构特点和作用机制结合变化模型 氧化磷酸化抑制剂: 通过直接干扰ATP的形成过程，最终也抑制电子传递。如寡霉素（oligomycin）：与ATP合成酶的寡霉素敏感蛋白Fo结合，阻断质子通道。氧化磷酸化的调节：呼吸控制(或受体控制, acceptor control)：ADP作为关键物质对氧化磷酸化的调节作用。它的定量表示法是测定ADP存在时氧的利用速率与没有ADP时氧的利用速率的比值。通常高于10。ATP/ADP+Pi（也称mass action ratio，质量作用比率）：作为细胞能量的一个指标。ATP, ADP, NADH, NAD+都是氧化途径中的重要调节因子P/O：指当一对电子通过呼吸链传到O2所产生的ATP分子数。可通过实验测定。一般认为P/O值是一个整数。NADH的P/O为3, 琥珀酸的P/O为2。根据化学渗透学说, 从质子的角度计算, NADH的P/O为2.5, 琥珀酸的P/O为1.5。5.4 质子梯度的其它用途质子梯度贮存的能量可用于做其他功,如协同运输，产热（紫色脂肪组织），驱动细胞的鞭毛转动等。5.5 通过线粒体内膜的物质运输NADH穿梭系统 ( Shuttle systems of cytosolic NADH to mitochondrion )苹果酸-天门冬氨酸穿梭：最活跃的NADH穿梭途径。存在于肝脏、肾脏、心肌等细胞。使用 the Malate-a-ketoglutarate transporters和 the glutamate-aspartate transporters。通过此途径, 从胞浆进入mt的NADH可生成2.5ATP。3-磷酸甘油穿梭（glycerol 3-phosphate shuttle）主要存在于骨骼肌和脑细胞。由于电子直接进入complex III, 产生能量较malate-aspartate shuttle少(1.5ATP)。5.6 其他线粒体相关问题线粒体基因组为裸露环状双螺旋结构（易受氧自由基损害）线粒体起源于内共生细菌（内共生学说）：最早能够进行产生ATP的有氧代谢的是原核细胞。原始的真核细胞是在无氧条件下生存的，直到它们与这些原核细胞在细胞质内建立共生关系的时候，才获得氧化磷酸化的功能。经过漫长的进化，细菌的一些基因进入真核细胞的基因组，内共生细菌进化为线粒体。原核生物的氧化磷酸化途径与线粒体相似。这是线粒体起源于内共生细菌的有力证据。脂类代谢5.1 脂类概述 脂类的分类（P3）脂肪（甘油三脂TG）,类脂（鞘脂（磷脂PL,糖脂GL），胆固醇CH,胆因醇酯CHE）TG的结构：1甘油3脂肪酸链甘油磷脂的结构：1甘油2脂肪酸链1磷酸基团和1极性头部鞘脂：鞘氨醇1脂肪酸链1极性头脂类的生理功能 供能与贮能 机体的重要结构成分 转变为各种衍生物参与代谢活动脂肪作为储能物质的优缺点: 脂肪具有高度还原性，彻底氧化释放的能量是同等重量的糖或蛋白质的两倍多（38kJ/g vs 18kJ/g）。 脂肪具有高度疏水性，因而不会增加细胞胞浆的渗透压，也不会因水化增加额外的重量。但消化需要乳化，运输需要其他蛋白质协助。 脂肪具有化学惰性，不易产生副反应。但C-C键的断裂需要激活。5.2 脂肪的消化、吸收、动员和运输消化部位：小肠上段，消化因素：（胆汁酸盐（bile salts）：乳化作用，辅脂酶（colipase） ：帮助胰脂酶起作用，脂肪酶（lipase） ：TG(胰脂酶)）2单酰甘油脂肪酸；CHE(胆固醇脂酶)CH脂肪酸；PL（磷脂酶A2）溶血磷脂脂肪酸） 吸收部位：空肠；短链：直接通过门静脉进入血循环；长链：重新合成TG（载脂蛋白）乳糜微粒乳糜管淋巴管血液在毛细血管中，脂肪又被水解为游离脂肪酸和甘油。FA被细胞吸收。脂肪动员（Mobilization of triglycerides）指脂肪组织中脂肪在激素的调节下，被一系列脂肪酶水解为脂肪酸和甘油，然后释放进入血液，脂肪酸以与血清白蛋白非共价结合的方式运输到其它组织利用的过程。（其中甘油三脂脂肪酶是限速酶）5.3 脂肪的代谢甘油的氧化 主要部位在肝、肾、肠。 甘油氧化通过三步反应转化为3-磷酸甘油醛。 脂肪和骨骼肌组织中甘油激酶活性很低，所以不能很好地利用甘油。脂肪酸氧化的理论：脂肪酸降解时，Beta被氧化，每一轮氧化中释放出一个二碳单位饱和偶数碳脂肪酸的氧化：部位: 以肝脏和肌肉组织最为活跃。 整个过程可分为三个阶段： 第一阶段：脂肪酸的活化；脂肪酸与HSCoA结合生成脂酰CoA（高能化合物）的过程RCOOH+ATP+HSCoA RCOSCoA+AMP+PPi 催化反应的是脂酰CoA合成酶在细胞内分别有内质网脂酰CoA合成酶和线粒体脂酰CoA合成酶，前者活化12个碳原子以上的长链脂肪酸，后者活化中链或短链脂肪酸。 第二阶段：长链脂酰CoA进入线粒体； 在肉碱脂酰移位酶的催化下，以脂酰肉碱的形式通过acyl-carnitine/carnitine transporter进入线粒体，在线粒体基质，脂酰肉碱在肉碱脂酰移位酶的催化下，重新生成脂酰CoA。 这是脂肪酸-氧化的限速步骤。 丙二酸单酰CoA是肉碱脂酰移位酶的抑制剂。 第三阶段：-氧化。 所有脂肪酸-氧化的酶都是线粒体酶。 b-氧化每一轮循环是脱氢、水化、再脱氢和硫解四个重复步骤，生成1个乙酰CoA、1个少2C的脂酰CoA以及1个NADH、1个FADH2。 按软脂酸计算，经过7轮反应，生成8个乙酰CoA、7个NADH和7个FADH2。软脂酸的氧化可产生106ATP。（108-活化的两个ATP）单不饱和脂肪酸的-氧化额外需要顺r3-反r2-烯酰CoA异构酶，使顺式r3双键转变为反式r2双键多不饱和脂肪酸的-氧化除顺r3-反r2-烯酰CoA异构酶外，还需2,4-二烯酰CoA还原酶（NADPH作为辅酶） ，将反r2-顺r4结构转变为反r3结构奇数碳脂肪酸的-氧化 奇数碳脂肪酸存在于许多植物、海洋生物、石油酵母等生物体中。 奇数碳脂肪酸经-氧化可生成丙酰CoA。 丙酰CoA经过三步反应，转化为琥珀酰CoA，进入三羧酸循环， 进一步可转变为其他物质。此途径是丙酸代谢的途径之一（丙酸代谢的另一途径是生成乙酰CoA ）。 Vit B12是甲基丙二酸单酰CoA变位酶的辅酶。 Vit B12在动植物中不能合成，只有一些种类的微生物能合成。健康人每天只需要少量的Vit B12。如果由于吸收障碍缺乏Vit B12 ，就会导致恶性贫血(Pernicious anemia)，如红细胞减少、血红蛋白水平降低和一些中枢神经系统的功能紊乱等。在一些病例中，服用大剂量Vit B12 可减轻这些症状。过氧化物体/乙醛酸体中脂肪酸的氧化途径与线粒体的相似，但不完全相同。FADH2的电子直接传递给O2，生成H2O2，H2O2马上转化为H2O和O2。能量以热量形式散发，而不是储存于ATP中 。哺乳动物过氧化物体产生的乙酰CoA进入胞浆，用于合成其他代谢产物，如胆固醇等。当高脂肪膳食时，肝脏过氧化物体中脂肪酸-氧化的酶合成增加，产生的乙酰CoA一部分进入线粒体 植物中脂肪酸-氧化只发生在叶组织的过氧化物体以及种子的乙醛酸体中（植物线粒体不存在-氧化的酶）。这一途径的生物学意义是利用脂肪提供生物合成的前体，特别是在种子的发芽过程。 -氧化的酶在线粒体和过氧化物体中组织的形式不同。在线粒体中，各个酶是分离的，而在过氧化物体中，以复合体形式存在。脂肪酸的-氧化对降解支链脂肪酸（如哺乳动物中植烷酸降解）有重要作用脂肪酸的-氧化脊椎动物作用部位：肝肾内质网中。碳原子少于12的脂肪酸的氧化途径。Mix-function oxidases由细胞色素P-450还原酶和细胞色素P-450组成。在肝脏中，脂肪酸经b-氧化生成的乙酰CoA，转变为乙酰乙酸、b羟丁酸和少量丙酮，这三种物质统称为酮体ketone bodies。这种现象在饥饿或糖尿病状态下尤为明显酮体的生成部位在肝细胞线粒体。HMG-CoA synthase催化的是限速步骤酮体的利用指酮体在肝外组织重新转化为乙酰CoA 酮体生成具有重要的生理意义 是生理情况下，肝脏输出能源的一种形式。 是长期饥饿情况下、脑、肌肉组织主要的供能物质。 是应激情况下，防止肌肉蛋白过多消耗的一种形式。酮体过量产生可造成酮血症、酮尿症.正常代谢时血尿酮体含量很少。在饥饿、糖尿病等异常情况下，酮体大量产生。当超过肝外组织所能利用的限度时，血尿酮体含量升高。血中酮体堆积称“酮血症”。由于乙酰乙酸和-羟丁酸降低血液pH，造成“酸中毒”。酮体随尿排出称“酮尿症”. 临床上把糖尿病患者血尿酮体的异常称为“酮症”（ketosis）。 脂肪酸合成部位在胞液中。 脂肪酸合成在肝脏、脂肪组织特别活跃。 脂肪酸合成的碳源是acetyl-CoA。Acetyl-CoA提供最初的两个C原子，以后延长的2C单位由acetyl-CoA的活化形式: malonyl-CoA提供。 脂肪酸合酶（fatty acid synthase）只合成软脂酸（C16），进一步的延长和去饱和由其他酶体系完成。脂肪酸合成可分为3个步骤: Acetyl-CoA从线粒体运输到胞浆。 丙二酸单酰CoA（malonyl-CoA）的生成。乙酰CoA羧化酶是脂肪酸合成途径的限速酶 脂肪酸碳链的延伸。乙酰基和丙二酸单酰基首先转移到脂肪酸合酶复合体的两个SH。 脂肪酸碳链的延伸由脂肪酸合酶复合体催化。脂肪酸合酶复合体连续催化缩合、还原、脱水、还原四步反应。这四步反应构成一个循环。在脂肪酸合成过程，每经过一个循环，脂酰链延伸2个碳原子。经过7轮的反应，生成palmitoyl-ACP, palmitoyl-ACP水解释放出游离的palmitate。每合成1个软脂酸需要消耗7ATP和14NADPH ACP:酰基载体蛋白，结构十分类似COA。脂肪酸合酶复合体的作用机制脂肪酸合成受到严密调节。 乙酰CoA羧化酶催化的是脂肪酸合成的限速步骤。 柠檬酸和软脂酰CoA分别是乙酰CoA羧化酶的变构激活剂和反馈抑制剂。 乙酰CoA羧化酶可通过激素进行磷酸化去磷酸化的共价修饰调节。 第一个中间物丙二酸单酰CoA抑制脂肪酸氧化，避免无效循环。链饱和脂肪酸由软脂酸合成，部位：光面内质网和线粒体，与软脂酸合成不同的是，不需ACP作为脂酰基载体。亚油酸和亚麻酸是必需脂肪酸，对哺乳动物是非常重要的。Fatty acyl-CoA is desaturated (oxidized) by O2 and NADPH.棕梠酸是合成其它脂肪酸的前体。多不饱和脂肪酸的重要衍生物（前列腺素、血栓噁烷、白三烯）的合成：合成部位：全身各组织细胞光面内质网（除红细胞外），前体是花生四烯酸。Aspirin、Ibuprofen等通过抑制 prostglandins（前列腺素） 和 thromboxanes（血栓噁烷）的合成起到解热镇痛的作用前列腺素、血栓噁烷、白三烯的生理功能 PG: 诱发炎症；降血压；抑制胃酸分泌，促进胃肠蠕动；促进卵巢排卵和促进分娩。 TX: 促进凝血和血栓形成；促进血管收缩。 LT: 使支气管平滑肌强烈收缩；调节白细胞功能，促进炎症及过敏反应发展；促进溶酶体水解酶类的释放。脂肪的合成：合成部位主要在肝、脂肪、小肠等组织的胞液中。磷脂酸是脂肪和甘油磷脂合成的共同前体，其是由3-磷酸甘油和两个酰基COA合成的。5.4 甘油磷脂和鞘脂的代谢甘油磷脂和鞘脂的分解代谢部位溶酶体。由特异性磷脂酶水解。溶血磷脂指水解去掉一个脂肪酸的甘油磷脂,即Phospholipase A1、Phospholipase A2水解的产物磷脂酶A1,A2,C,D不同的作用位点。P95鞘脂的降解是由一套特异性的酶按一定步骤分解极性头部基团，最后生成神经酰胺由于一些水解酶变异失去活性，鞘脂降解出现障碍导致鞘脂沉积在溶酶体中。这种遗传性脂类沉积症又称溶酶体病。甘油磷脂的合成代谢 合成部位在光面内质网或线粒体内膜。 合成以磷脂酸为合成前体。 合成有CDP-甘油二酯和CDP-极性头部基团两种策略。 首先，甘油二酯的-OH ( CDP-甘油二酯策略 )或极性头部基团的-OH ( CDP-极性头部基团策略 ) ，通过与胞嘧啶核苷酸相连而激活。 然后，由相应的另外一个-OH 基团通过亲核反应替换CMP ，从而合成甘油磷脂原核细胞主要用CDP-甘油二酯策略合成甘油磷脂。真核细胞两种策略都用。真核细胞用CDP-甘油二酯途径合成磷脂酰甘油、心磷脂、磷脂酰肌醇哺乳动物用CDP-极性基团途径合成PE和PC。PE通过基团交换反应合成PS。PE通过甲基化合成PC 只在肝脏中发生醚脂如plasmalogens（缩醛磷脂）和 platelet-activating factor（PAF，血小板活化因子）的合成涉及一个脂肪醇基替代脂酰基（形成醚键）的反应。鞘脂的合成代谢 合成部位在光面内质网或线粒体内膜。 鞘脂的鞘氨醇骨架来源于软脂酰CoA和Ser。5.5 胆固醇的代谢胆固醇合成主要在肝脏，少量在肠。脑细胞、红细胞不能合成。合成部位在胞液和内质网。胆固醇全部27个C来源于乙酰CoA，这是用同位素标记实验研究的结果(1940s) 胆固醇的生物合成过程可以分为4个阶段:Stage I: 3个acetyl-CoA缩合生成 1个6C的 mevalonate (甲羟戊酸) 。HMG-CoA还原酶催化的是限速步骤Stage II: mevalonate 转变为活化的 5C isoprene units (异戊二烯单位) 。Stage III: 6个 isoprene units 缩合生成线性的30C squalene(鲨烯) 。Stage IV: Squalene 环化生成1个四环结构, 通过一系列复杂的反应最后转变为27C的胆固醇。活化异戊二烯是一大类物质类异戊二烯的合成前体胆固醇酯在肝内合成，贮存于肝脏或以脂蛋白形式运送到其他组织。胆固醇的转化：1.转化为胆汁酸2.转化为类固醇激素，如孕酮，睾丸激素。3.转化为7-脱氢胆固醇，7-脱氢胆固醇是VitD的前体。VitD可以调节小肠钙的吸收以及肾和骨钙的水平。胆固醇代谢的调节 胆固醇代谢调节的特点是受到细胞内胆固醇水平的调节，是生物合成途径和食物摄取的平衡。 HMG-CoA还原酶，催化胆固醇合成的限速步骤， 其活性变化可达100倍。它的调节包括:v 一个固醇类分子促进HMG-CoA还原酶的酶原降解以及抑制HMG-CoA还原酶基因和LDL 受体基因的转录。v 激素 (insulin and glucagon)通过可逆的磷酸化/去磷酸化调节限速酶的活性。5.6 血浆脂蛋白的代谢(1)血脂：血浆所含的脂类。包括TG、CH、CHE、PL、FFA等。来源：外源性脂类（食物摄取）内源性脂类（体内合成）血脂含量不如血糖恒定，受膳食、年龄、性别、职业以及代谢等的影响，波动范围较大。(2)血浆脂蛋白：是脂类在血浆中的运输形式。以疏水性脂类为核心围绕着极性脂类和载脂蛋白组成不同的脂蛋白脂类和载脂蛋白的种类和数量不同。大小和密度也不同,一般分为四种： 乳糜微粒chylomicrons, 极低密度脂蛋白VLDL (very low density lipoproteins),低密度脂蛋白LDL(Low density lipoproteins),高密度脂蛋白HDL (high density lipoproteins) (3)载脂蛋白（apolipoproteins）：脂蛋白中的蛋白质部分。（靶向功能和酶激活功能） CM：把外源性TG、CHE从小肠运输到各种组织。 VLDL：把内源性TG从肝脏运输到其他组织。 VLDL的 apoC-II激活肌肉或脂肪组织中的脂蛋白脂肪酶， 向这些组织释放出游离的脂肪酸。 剩余的VLDL残粒一部分通过受体介导的内吞作用进入肝细胞代谢，另一部分形成LDL 。 LDL：主要把内源性CH运输到肝外组织。 这是LDL 受体介导的内吞作用。识别LDL 受体的是LDL 上的apoB-100 蛋白。 血浆中LDL与细胞膜上LDL 受体结合后引起了一系列的代谢过程，称为LDL受体代谢途径。 HDL：逆向运输CH，清除血中CH。 HDL的前体来源于肝细胞或小肠细胞，从肝外组织收集CH向肝细胞运输。 胆固醇的逆向运输途径（reverse cholestrol transport pathway）：指胆固醇从肝外组织向肝运输的过程。是机体将外周组织中衰老细胞膜中的胆固醇运输到肝代谢并排出体外的途径。高脂血症：指血脂高于正常人上限。亦称高脂蛋白血症。动脉粥样硬化症与血清中的CH水平过高相关.原因有两种: LDL受体基因突变使得LDL的CH不能进入细胞，血液中CH水平升高，而另一方面， 细胞内CH合成继续进行，从而引起胆固醇摄取和合成代谢紊乱，造成家族性高胆固醇血症;某些载脂蛋白基因突变引起HDL水平下降。 氨基酸代谢和尿素生成1. 蛋白质降解：来源：食物，蛋白质更新过程中释放的氨基酸，饥饿或病理状态下蛋白质的分解。食物蛋白的降解和吸收：胃蛋白酶pepsin的初步降解，胰蛋白酶在小肠中的进一步