基因工程上课糖代谢

基因工程上课糖代谢第1页/共65页第一节新陈代谢的一般概念新陈代谢——细胞内进行的所有化学反应的总称。包括（1）分解代谢—自生的或从外界摄取的蛋白质、脂肪和碳水化合物等有机大分子氧化降解为简单小分子，同时伴随作能量的释放的过程。释放能量的相当一部分常以ATP（为主）、FADH2、NADH（可通过呼吸链产生ATP）和NADPH（主要作为还原性生物合成反应的原动力，即还原力）等形式被捕获；（2）合成代谢—以小分子前体为原料合成复杂的生物大分子的过程。分解代谢和合成代谢基本上采取不同的途径，往往是在不同的细胞分隔中进行。但也有一些代谢环节是可共同利用的，故将可共用的代谢环节称为两用代谢途径。柠檬酸途径是典型的例子。

第2页/共65页葡萄糖→CO2+H2O过程的能量释放第3页/共65页代谢途径概述第4页/共65页新陈代谢中的主要化学反应氧化还原反应——通常由脱氢酶和氧化酶催化。如：C-C键的形成和断裂——是分解代谢与合成代谢的基础反应过程。如合成代谢中的C-C键的形成涉及到亲核的负碳离子对亲电的正碳离子的进攻。分子重排、异构化和消除反应——

如分子重排：消除反应：基团转移反应——主要包括酰基、糖基、磷酸基等的转移。常表现为亲电子基团（如A）从从一个亲核体（如X׃）转移到另一个亲核体（如Y׃

）。如：第5页/共65页第二节新陈代谢的调控及研究方法新陈代谢的调控——包括（1）分子水平—酶水平的调控；（2）细胞水平的调控；（3）整体水平的调控。酶水平的调控包括酶活性的调控、酶浓度的调控和酶水平的其他方面的调节酶活性的调控——常见方式有变构调节（别构酶多为代谢途径的第一、二个酶或分支点处的酶）、共价调节（有磷酸化/去磷酸化、腺苷酰化/脱腺苷酰化等，前者在信号转导途径中最常见，后者是细菌中的另一种重要方式)。特点：调节酶活性的大小或有无，调节快速、灵敏，属细调。酶浓度的调控——包括合成调节（涉及到基因表达调控）和降解调节两类。特点：调节酶数量的增减，属粗调。酶水平的其他方面的调节——包括酶的组织形式调控（游离状态、多酶复合物、膜上的有序分布等不同的组织形式使得代谢速率可有较大差别）和相反途径的协同调控（即一条途径的激活加速必然伴随另一条相反途径的减慢和关闭）第6页/共65页酶活性的变构调节前馈和反馈——代谢（中间）底物对代谢（中间）产物的效应称为前馈；代谢产物对前面的代谢（起始或分支点处）底物的效应称为反馈。如效应为正，使代谢速度，则称为激活，反之称为抑制。反馈抑制是最常见的形式。反馈抑制的常见类型

线形通路的反馈抑制

逐步反馈抑制

同功酶的调节

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协同反馈抑制举例：天冬氨酸代谢的同功酶调节第8页/共65页酶活性的共价调节定义：指被修饰酶的特定氨基酸残基在酶催化下发生可逆共价修饰，从而改变酶活性的调节作用。又称为酶的化学修饰。主要有磷酸化/脱磷酸（最常见）、乙酰化/脱乙酰、腺苷化/脱腺苷、甲基化/脱甲基。第9页/共65页蛋白激酶的调节作用第10页/共65页指由于细胞内膜系统的分隔形成的不同区域（线粒体、叶绿体、内质网、细胞核、溶酶体等）而使得不同代谢过程可以在不同的亚细胞结构区域中有条不紊的进行。代谢的调节在分隔中进行，并与细胞整体的生命活动保持协调。这对于细胞的正常的生命活动过程非常必要。举例胞液：糖酵解途径、脂肪酸合成线粒体：三羧酸循环、呼吸链、-氧化叶绿体：光合作用

细胞水平的调节第11页/共65页代谢途径的形式

a.自由扩散（氨基酸合成）b.膜上进行（三羧酸循环）c.

多酶复合物（脂肪酸合成）第12页/共65页整体水平的调节

主要指由激素和神经介质引起的对生物体的整体调节作用，包括细胞间、细胞内的调节过程等。已在激素和细胞信号转导一章中介绍。第13页/共65页第九章糖代谢第一节糖酵解（EMP）第二节葡萄糖异生作用第三节柠檬酸循环（TCA循环）第四节磷酸戊糖途径（PPP）第五节糖原的代谢第14页/共65页糖酵解定义——指一分子葡萄糖转变为2分子丙酮酸的一系列酶促反应过程。（广义概念）代谢途径反应——主要分为途经的第一阶段（5步反应，1分子葡萄糖转变为2分子的甘油醛-3-磷酸。特点：需能过程，消耗2分子ATP）、途经的第二阶段（5步反应，2分子甘油醛-3-磷酸→2分子丙酮酸。特点：放能过程，生成4分子ATP）。总反应式：葡萄糖+2ADP+2Pi+2NAD+→2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O丙酮酸的去向——包括（1）有氧条件下，转化为乙酰CoA，进入TCA循环或用于其它大分子物质的合成反应；（2）无氧条件下，进行发酵，产物多种，取决于生物类型等。第15页/共65页糖酵解途径第16页/共65页糖酵解途径（1）第17页/共65页糖酵解途径（2）第18页/共65页肝脏种G-6-P的中心作用第19页/共65页糖酵解的调控糖酵解的调控位点有三个：己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶。己糖激酶/葡萄糖激酶——肌肉细胞中己糖激酶受G-6-P的反馈抑制，肝细胞中葡萄糖激酶无此反馈抑制，但受血糖水平调控。此外，长链脂酰CoA↓（别构抑制）。磷酸果糖激酶（PFK）——PFK1催化G-6-P→1,6-FBP，是EMP的限速酶，调节物：ATP（高浓度）和柠檬酸↓，AMP、ADP和2,6-FBP↑。丙酮酸激酶——有同工酶。（1）别构调节——调节物：ATP、乙酰CoA和长链脂肪酸↓（对所有形式的同工酶），2,6-FBP↑；（2）共价调节——肝细胞的丙酮酸激酶（L型）受磷酸化调节，血糖↓→胰高血糖素↑→cAMP↑→PKA↑→丙酮酸激酶（L型）磷酸化失活→EMP↓，糖异生↑。丙酮酸激酶（L型）去磷酸化→酶活↑→EMP↑。第20页/共65页糖酵解途径的调控第21页/共65页胰高血糖素（Glucagon）对肝脏糖酵解的效应第22页/共65页磷酸果糖激酶(PFK)调控位点（1）第23页/共65页糖酵解的生理意义EMP是单糖分解代谢的一条最重要的基本途径。EMP能提供能量使机体或组织有效地适应缺氧情况。EMP是在正常氧供应情况下，某些组织或细胞的主要获能方式。如无线粒体的红细胞，代谢活跃的白细胞和骨髓细胞。EMP是葡萄糖完全氧化分解成二氧化碳和水的必要准备阶段。第24页/共65页糖异生与糖酵解的比较（左）糖酵解；（右）糖异生糖异生中除了要绕过糖酵解中的三步不可逆反应外，其余都是糖酵解的可逆反应。糖异生中的三步不可逆反应过程是：（1）丙酮酸羧化酶和PEP羧激酶协同完成丙酮酸→草酰乙酸→PEP（2）果糖-1,6-二磷酸酶催化1,6-FDP→F-6-P（3）葡萄糖-6-磷酸酶催化G-6-P→G糖异生（2丙酮酸→G）的能量消耗：6个高能键。不同起始底物的糖异生的能量消耗随经过的代谢途径的差异而不同。第25页/共65页糖异生途径第26页/共65页糖异生作用与糖酵解的协同调控EMP→糖异生，反之亦然。两条途径是通过三个不可逆反应的调节酶的调节（见前述）进行的。此外2,6-FDP参与调控。2,6-FDP参与的调控机制

PFK-1催化EMP中的F-6-P→1,6-FDP，PFK-2则催化F-6-P→2,6-FDP。2,6-FDP→PFK-1和EMP，FBPase-1和糖异生。

FBPase-1催化1,6-FDP→F-6-P，而FBPase-2催化2,6-FDP→F-6-P。

PFK-2+ATP→FBPase-2+ADP，cAMP-PK激活正向反应。血糖→胰高血糖素→FBPase-2→2,6-FDP→PFK-1和EMP，糖异生→血糖；血糖→胰岛素→蛋白的脱磷酸→PFK-2→2,6-FDP→PFK-1和EMP，糖异生→血糖。第27页/共65页肝脏中糖酵解和糖异生的调控第28页/共65页丙酮酸的去路无氧条件下丙酮酸的去路

1.生成乳酸乳酸脱氢酶催化丙酮酸→乳酸，需一分子NADPH+H+2.生成乙醇丙酮酸→乙醛→乙醇，分别由丙酮酸脱羧酶、乙醇脱氢酶催化，需一分子NADPH+H+

此外，随微生物菌株和营养环境条件的不同，厌氧发酵的产物还有多种。如丙二醇、乙酸、甘油、丁醇、丁酸、异丙醇等。有氧条件下的丙酮酸的去路生成乙酰辅酶A，进入TCA循环第29页/共65页丙酮酸脱氢酶复合物

E1:丙酮酸脱氢酶E2:二氢硫辛酰转乙酰基酶E3:二氢硫辛酰脱氢酶第30页/共65页丙酮酸脱氢酶复合物

E1:丙酮酸脱氢酶E2:二氢硫辛酰转乙酰基酶E3:二氢硫辛酰脱氢酶第31页/共65页丙酮酸脱氢酶的调控1.

别构调节——ATP、NADH、乙酰CoA和脂肪酸↓，AMP、coASH和NAD(+)↑。2.

共价调节——酶的脱磷酸化为活性态，酶的磷酸化为失活态，相互转变由特定的蛋白激酶控制。第32页/共65页丙酮酸脱氢酶复合物的调控（1）第33页/共65页丙酮酸脱氢酶复合物的调控（2）第34页/共65页TCA循环

第35页/共65页三羧酸循环中加入的2C单位的命运第36页/共65页三羧酸循环的调控三羧酸循环的调节主要体现在两个水平上：1.

底物的可用性调节——乙酰CoA水平对丙酮酸氧化和TCA循环都有重要调控作用。草酰乙酸的水平对TCA循环的速度也有重要影响。2.

乙酰CoA进入柠檬酸循环的调节——取决于三羧酸循环的三个调节酶：（1）柠檬酸合酶——柠檬酸、ATP、NADH和琥珀酰CoA↓，ADP↑。（2.）异柠檬酸脱氢酶——ATP、NADH↓，ADP和Ca2+↑。（3）α–酮戊二酸脱氢酶——琥珀酰CoA和NADH↓，Ca2+↑。第37页/共65页第38页/共65页E.Coli异柠檬酸脱氢酶的共价修饰调节第39页/共65页TCA循环的调控

·表示激活表示抑制表示反馈第40页/共65页三羧酸循环的生理意义1.TCA循环是生物机体获得能量的主要途径；2.TCA循环是有机物质完全氧化的共同途径；3.TCA循环是分解代谢和合成代谢途径的枢纽；4.TCA循环产生的CO2，其中一部分排出体外，其余部分供机体生物合成需要。第41页/共65页葡萄糖代谢的能量（ATP）生成第42页/共65页TCA循环的回补反应

当TCA循环的中间产物被抽走用于其它物质的合成时，为了保证TCA循环的正常进行，必须通过其他反应来补充中间产物的消耗，这些反应被称为回补反应。回补反应的常见类型有：

1.丙酮酸羧化生成草酰乙酸丙酮酸+ATP+CO2+H2O↔草酰乙酸+Pi+ADP

丙酮酸羧化酶催化，乙酰CoA↑。

2.磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）羧化生成草酰乙酸

PEP+CO2+GDP↔草酰乙酸+GTPPEP羧激酶催化该反应

3.丙酮酸羧化生成苹果酸丙酮酸+CO2+NADPH+H(+)↔苹果酸+NADP(+)苹果酸酶催化该反应

4.PEP羧化生成草酰乙酸

PEP+CO2+H2O↔草酰乙酸+PiPEP羧化酶催化该反应

5.氨基酸降解产生的碳架（α-酮戊二酸、草酰乙酸、丙酮酸）可回补

TCA循环。第43页/共65页三羧酸循环是中心代谢途径第44页/共65页TCA循环于其它代谢的关系第45页/共65页发酵产品生产中的代谢调节控制发酵的代谢调节1．自然发酵和代谢调节的发酵2．发酵的代谢调节思路柠檬酸发酵原理1．阻断顺乌头酸酶的催化反应使用以顺乌头酸酶为靶点的抑制剂通过诱变造成生产菌种顺乌头酸酶缺失或活力很低2．强化草酰乙酸回补途径第46页/共65页发酵的代谢调节思路选育出相关代谢途径旺盛的菌种设法阻断代谢途径，使所要求的中间产物不能进一步反应而实现积累。（如酶活抑制或菌种诱变成营养缺陷型）必须有适当的补充机制，以满足代谢活动的最低需求，维持细胞生长，才能维持发酵持续进行。第47页/共65页乙醛酸循环第48页/共65页乙醛酸循环第49页/共65页TCA循环与其它代谢途径的关系第50页/共65页磷酸戊糖途径（PPP）PPP的调控6-磷酸葡萄糖脱氢酶是该途径的限速酶，NADP+激活该酶，即NADP+/NADPH比值→该酶酶活第51页/共65页磷酸戊糖途径（PPP）PPP的发生场所：脂肪组织、乳腺、肾上腺、红细胞等的细胞胞浆中。PPP的反应历程PPP的生理意义

1.PPP是细胞产生还原力NADPH的主要途径

NADPH作为供氢体，主要参与合成代谢的反应，此外还参与保护细胞和某些蛋白的巯基，防止H2O2和超氧自由基对细胞的损伤。

2.PPP为DNA、RNA和多种辅酶的合成提供5-磷酸核糖，也为氨基酸的合成提供4-磷酸赤藓糖。第52页/共65页磷酸戊糖途径（PPP）第53页/共65页糖原降解需要糖原磷酸化酶（降解从非还原端开始）、脱支酶和磷酸葡萄糖变位酶（G-1-P→G-6-P）。终产物是G-6-P。糖原磷酸化酶为途径的调节酶。其别构激活剂是AMP，别构抑制剂是ATP和G-6-P。在共价调节中，其磷酸化状态是活性态，非磷酸化状态是无活性态。淀粉磷酸解时需要的酶是淀粉磷酸化酶（降解从非还原端开始）、转移酶与脱支酶，降解从非还原端开始，终产物是G-1-P。淀粉水解需要淀粉酶（-淀粉酶作用于淀粉或糖原内部的-1,4-糖苷键；-淀粉酶从淀粉的非还原端开始水解，释放出麦芽糖）、脱支酶和麦芽糖酶，终产物是G。第54页/共65页第55页