生物化学-糖酵解、糖异生和戊糖磷酸途径PPT演示课件

1,糖酵解、糖异生和戊糖磷酸途径,糖酵解糖酵解进入途径厌氧条件下的丙酮酸去路：发酵糖异生葡萄糖氧化的戊糖磷酸途径,Glucoseoccupiesacentralpositioninmetabolism:-relativelyrichinpotentialenergy(Go=-2,840kJ/mol)-remarkablyversatileprecursor(eg.E.coli),LW-1,2,=3Ccompound,Majorpathwaysofglucoseutilization(inplants&animals),P28-1,部分自由能在糖酵解途径中以ATP&NADH形式被保存,核糖-5-磷酸,丙酮酸,R5P(+NADPH),AlthoughnottheonlypossiblefatesforGlc,these3pathwaysarethemostsignificantintermsoftheamountofGlcthatflowsthroughtheminmostcells.,(cf.Fig.11-1),3,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(GlcPyrsimilarasinGlycolysis),LW-2,OttoF.Meyerhof1884-1951,(shared1922NPinPhys./Med.),(Embden-Meyerhof-ParnasPathway),4,G19.1,两阶段十步反应-前五步准备-后五步收益(oxidative/non-oxidative),三种重要转化类型-Glc碳链降解产生丙酮酸(6C3C)-释能形成高能磷酸化合物(ADPATP)-电子/:H转移(NAD+NADH),1.概述：糖酵解可分为两大阶段,(cf.Fig.11-2),5,14-2a,Thetwophasesofglycolysis,己糖阶段,消耗2ATP,Continuefor2ndphase,6,14-2b,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,7,Overallequationforglycolysis,Glc+2NAD+2ADP+2Pi2pyruvate+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+2Pi2ATP+2H2OG=(2x30.5)=61kJ/molGtotal=-146+61=-85kJ/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:Glc的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,细胞内条件下酵解过程基本不可逆,8,Glc磷酸化成G6P-己糖激酶-1stATP被消耗：不可逆-为后续反应激活Glc,p526,-keepingsomeenergyfromATPsbreakdown-keepingGlcincell,-己糖激酶IIII广泛分布于肝肾外所有组织中，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=510mmol，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(G6PG1PUDP-Glc),亲核攻击,2.准备阶段消耗ATP(cf.p290),9,G15.1,己糖激酶作用时会发生明显的构象变化(诱导契合)：与Glc的结合引发两个结构域相对转动17而靠近(8)，使被结合的Glc与待结合的Mg2+-ATP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,(cf.Fig.11-3),10,G6P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),p526,C1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)-C3C4的断裂则需要C2位有一羰基(利于负碳离子形成),11,吡喃葡糖开环,C2的H+移除促进顺-烯二醇中间物的形成,C2OH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(重排异构&E-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-OH可攻击ATP的磷酰基,(cf.Fig.11-4),12,p526,F6P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,13,F-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-C3C4断开,p527,C3C4连键裂解,尽管Go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),14,14-5,classIaldolasereaction(animal&plant),中C2羰基与E-Lys形成带正电的亚胺(-C=N-键)，以稳定C3C4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,以和的逆过程水解亚胺并释出2nd产物,自学,15,14-6,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C1,Reviewfor1stphase,提高代谢效率,(cf.Fig.11-5),化学意义无区分,16,G3P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混合酸酐(Go=-49.3kJ/mol)形式储存在C1上，可以转移至ADP生成ATP,p529,G3P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.p294),17,14-7,G3Pdehydrogenasereaction,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,(:B),(cf.Fig.11-6),磷酸解(asOHfromH2O),(esink),18,-碘乙酸(烷化剂)可抑制G3P脱氢酶：与酶活性部位的Cys-SH形成共价衍生物而使酶失活(asDIPFPforSer-OH),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+),19,-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,和为能量偶联过程(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+Go=-12.2kJ/mol,p531,磷酰基从1,3-BPG转移给ADP,3-PG,20,3-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,p531,单磷酸甘油(酸)的标准水解自由能变化(Go)均不足以生成核苷三磷酸,21,14-8,phosphoglyceratemutasereaction(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,(cf.Fig.11-7),22,2-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Go具有很大差值：2-PG:-17.6kJ/mol(glycerate,asfor3-PG)PEP:-61.9kJ/mol,足以在下步反应中合成ATP,p532,C2oxidizedC3reduced,23,Two-stepreactioncatalyzedbyenolase,Lys345碱催化移除H+,烯醇化中间物由Mg2+稳定Glu211酸催化促进移除OH,F为烯醇化酶的强抑制剂：可在活性位点形成FPO32Mg2+复合物而使酶失活,6-23,24,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：Go=-61.9kJ/molATP生成吸能：Go=30.5kJ/mol,p532,25,mechanismforpyruvatekinasereaction,(cf.Fig.11-8&Fig.11-9),26,总输入：Glc+2ATP+2NAD+4ADP+2Pi总输出：2pyruvate+2ADP+2NADH+2H+4ATP+2H2O,总反应：Glc+2NAD+2ADP+2Pi2pyruvate+2NADH+2H+2ATP+2H2O,-碳骨架转化：1Glc2pyruvate-磷酰基转移：2ADP+2Pi2ATP-e转移：4e(as2:H)从2G3P转移至2NAD+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而获能),P28-17,Pasteureffect:Glc消耗率/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)(cf.p303),4.酵解反应总平衡有ATP净盈利(cf.p298),27,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-3,28,-准备阶段消耗2ATP将Glc转化成F-1,6-BP，随后C3C4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,-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,29,14-9,糖酵解进入途径,海藻糖Glc(11),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/淀粉主要经由磷酸解,肝脏,糖元/淀粉,Amylase均为-糖苷酶-型为内切，-型为外切,(cf.p302),30,14-10,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(14)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(16)分支点而停止催化，再由脱支酶移除其分支,(cf.Fig.14-10),(+PLP),C1+,31,Catabolicfatesofpyruvateformedinglycolysis,14-3,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+,Fermentationcarryingoutenergy-yieldingoxidativereactionswithoutusingoxygenasanelectronacceptor,(cf.Fig.11-10),32,ExamplesofFermentation,Infermentations,NADHisproducedbytheoxidationofanorganicmolecule(ie.G3P),andthenisusedupbydonatingelectronstoadifferentorganicmoleculesuchaspyruvate(a)oracetaldehyde(b).,乳酸脱氢酶,丙酮酸脱羧酶,乙醇脱氢酶,33,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,tokeepglycolysisgoing,(cf.p299),自学,34,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thiazolesC2asanucleophile(非共价紧密结合，cf.Fig.11-12),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,(cf.Fig.11-11),自学,35,LW-4,糖异生Gluconeogenesis,Apathwayconvertingpyruvateandrelated3C&4CcompoundstoGlc,维持机体血糖稳态所必需-人体空腹血糖70110mg/dl(体液仅载有20gGlc)正常成人消耗：160g/d糖原储存总量(肝肾+肌肉)：180200g-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1/51/4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,36,14-15,-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,rawmaterialsforgluconeogenesis,37,14-16,Opposingpathwaysofglycolysisandgluconeogenesisinratliver,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),(cf.Fig.14-1),38,-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),-总反应为：丙酮酸+ATP+GTPPEP+ADP+GDP+Pi,PEP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),39,Enz,Roleofbiotininpyruvatecarboxylasereaction,14-18,-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(CO2活化形式)于活性位点1与生物素环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,磷酰基供体,(cf.Fig.14-2),不稳定的烯醇式(甲基负碳离子),urea+thiophene,40,mechanismforpyruvatecarboxylase,(cf.Fig.14-2),41,14-19,AlternativepathsfrompyruvatetoPEP,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),Lactate,(cf.Fig.14-3),42,绕行2和3均为磷酯键水解,14-16a,G6P酶Go=-13.8kJ/mol,-脑/肌细胞无该酶！,F-1,6-BP酶Go=-16.3kJ/mol,43,Coricycle(cf.Fig.14-4),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.Cori1896-1984,GertyT.Cori1896-1957,1947NPinPhys./Med.,stressloadedfrommuscle,44,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,T14-3,45,G28.2,Substratecyclesareusuallypreventedbyreciprocalregulatorycontrols.(cf.p371),Reciprocalregulationofgluconeogenesis&glycolysis,绕行2,糖酵解,糖异生,(cf.Fig.14-7),46,-Whatwastherationaleforcomparingtheactivitiesofthesetwoenzymes?-Thedatashowtheactivitiesofbothenzymesforavarietyofbumblebeespecies.Dotheseresultssupportthenotionthatbumblebeesusefutilecyclestogenerateheat?,-Inwhichspeciesmightfutilecyclingtakeplace?Why?-Dotheseresultsprovethatfutilecyclingdoesnotparticipateinheatgeneration?,自学,47,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,48,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,(1015%Glucose),49,14-20,PPP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,(cf.Fig.11-19),50,1.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),P29-11,Pentosephosphatepathway(oxidativestage),限速且不可逆,51,3.6-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-P4.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,P29-12,Pentosephosphatepathway(oxidativestage),C3脱氢引入羰基,52,14-22a,Pentosephosphatepathway(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aldose,G3P,G6P,R5P,异构酶,差向异构酶,C3,景天庚酮糖,F6P,核酮糖-5-P,glycolysis,etc,oxidativestage,(cf.Fig.11-20&11-21),53,14-22b,-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),54,G6P可在糖酵解和戊糖磷酸途径之间分流,14-27,G6P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,抑制G6PD,-还原性合成反应加速时NADP+升高，激活G6PD、使G6P主要进入PPP途径,-NADPH富余时将抑制G6PD，使G6P主要进入糖酵解途径(forATP&C-skeleton),(cf.Fig.11-24),55,反应速率受NADPH的别构抑制，调节酶是G6PD,转酮酶和转醛酶反应均可逆，因而不需要R5P时可将其转化为酵解中间物，需要时则可由后者再生,LW-7,小结：戊糖磷酸途径,主要产物为R5P和NADPH，前者是核苷酸等重要生物分子的构建组分；后者可为多种生物同化反应如FA合成提供还原力，故该途径在脂肪、乳腺和肾上腺皮质等组织和生长中的细胞非常活跃,主要反应分为两个阶段：氧化阶段G6P氧化脱羧转化为R5P并产生2NADPH非氧化阶段6R5P经由分子重排和基团转移再生出5G6P,56,1.若以14C标记葡萄糖的C-3作为酵母的底物，经发酵产生CO2和乙醇，试问14C将在何处发现？2.试总结磷酸基团在糖酵解过程中参与了哪些反应？这些反应分别有何意义？3.为什么说砷酸是糖酵解作用的毒物？氟化物和碘乙酸对糖酵解过程有何作用？4.试计算从丙酮酸合成葡萄糖需要提供多少个高能磷酸键？(需要给出具体反应)5.在以下两种条件下，试分析Glc-6-P经由戊糖磷酸途径的运行方式：(a)同时需要NADPH和R-5-P(b)NADPH的需求量远高于R-5-P,作业,57,复习题(p120127),一、选择1,3,5,9,12,14,15,18,19,2224,37,39,45,50,53,54二、名词解释14,610,19,21,22,26三、判断13,7,1115,1921,24,25,27,29,30,36四、问答1,4,5,911,14,17,20,24,26,30,58,法国微生物学及化学家，近代微生物学奠基人；毕生进行了多项探索性研究并均取得重大成果，是19世纪最有成就的科学家之一先后证明了三大科学问题：每种发酵作