代谢及代谢途径教程文件课件.ppt

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1、代谢,代谢是生命最基本的特征之一，它是指生物体内发生的所有化学反应的总称，包括物质代谢和能量代谢两个方面的内容。,细胞内的代谢途径和代谢网络,分解代谢和合成代谢,代谢的三种途径,酶的三种组织方式,代谢的基本特征,反应条件温和高度调控每一个代谢途径都是不可逆的一个代谢途径至少存在1个限速步骤各种生物在基本的代谢途径上是高度保守的代谢途径在细胞内特别在真核细胞是高度分室化的 不同的生物使用不同的途径获取能量和碳源,代谢途径的分室化,自养生物和异养生物,细胞需要持续不断的能量供应NADH, NADPH和 ATPATP 通用的能量货币NADPH 生物还原剂,代谢中的能量考虑,糖酵解,发生在所有的活细胞

2、位于细胞液 共有十步反应组成在所有的细胞都相同，但速率不同。两个阶段： 第一个阶段投资阶段或引发阶段: 葡萄糖 F-1,6-2P 2G-3-P第二个阶段获利阶段：产生2丙酮酸+2ATP丙酮酸的三种命运,糖酵解的两阶段反应,糖酵解,A. 能量投资阶段:,糖酵解,B. 能量收获阶段：,糖酵解的全部反应,糖酵解第一阶段的反应,第一步反应葡萄糖的磷酸化己糖激酶或葡萄糖激酶引发反应ATP被消耗，以便后面得到更多的ATP葡萄糖的磷酸化至少有两个意义：首先葡萄糖因此带上负电荷，极性猛增，很难再从细胞中“逃逸”出去；其次葡萄糖由此变得不稳定，有利于它在细胞内的进一步代谢。,葡萄糖在细胞内磷酸化以后不能再离开细

3、胞,反应2: 磷酸葡糖异构酶,葡糖-6-磷酸转变成果糖-6-磷酸 这是一步异构化反应。通过此反应，酮基从1号位变到2号，这既为下一步磷酸化反应创造了条件，也有利于后面由醛缩酶催化的C-3和C-4之间的断裂反应。,反应3: 磷酸果糖激酶,是糖酵解的限速步骤! 糖酵解第二次引发反应有大的自由能降低，受到高度的调控,反应4: 醛缩酶,C6 被切成 2 C3,反应5: 磷酸丙糖异构酶,磷酸二羟丙酮转变成甘油醛-3-磷酸,糖酵解-第二个阶段的反应,产生4 ATP 导致糖酵解净产生2ATP 涉及两个高能磷酸化合物.1,3 BPG PEP,反应6: 甘油醛-3-磷酸脱氢酶,甘油醛-3-磷酸被氧化成甘油酸-1

4、,3-二磷酸 这是整个糖酵解途径唯一的一步氧化还原反应 产生1,3-BPG和NADH 为巯基酶，使用共价催化，碘代乙酸和有机汞能够抑制此酶活性。砷酸在化学结构和化学性质与Pi极为相似，因此可以代替无机磷酸参加反应，形成甘油酸-1-砷酸-3-磷酸，但这样的产物很不稳定，很快就自发地水解成为甘油酸-3-磷酸并产生热，无法进入下一步底物水平磷酸化反应。由于甘油酸-1-砷酸-3-磷酸的自发水解，将导致ATP合成受阻，影响细胞的正常代谢，这就是砷酸有毒性的原因。,反应7: 磷酸甘油酸激酶,从高能磷酸化合物合成ATP这是一步底物水平的磷酸化反应红细胞内存在生成2,3-BPG的支路,反应8: 磷酸甘油酸变位

5、酶,磷酸基团从 C-3转移到C-2,反应9: 烯醇化酶,甘油酸-2-磷酸转变成 PEP 烯醇化酶的作用在于促进甘油酸-2-磷酸上某些原子的重排从而形成具有较高的磷酸转移势能的高能分子。氟合物能够与Mg 2和磷酸基团形成络化物，而干扰甘油酸-2-磷酸与烯醇化的结合从而抑制该酶的活性。,反应10: 丙酮酸激酶,PEP转化成丙酮酸，同时产生 ATP 产生两个ATP，可被视为糖酵解途径最后的能量回报。G为大的负值受到调控!,NADH和丙酮酸的去向有氧还是无氧？,在有氧状态下NADH和丙酮酸的命运 （1）NADH的命运 NADH在呼吸链被彻底氧化成H2O并产生更多的ATP。（2）丙酮酸的命运 丙酮酸经过

6、线粒体内膜上丙酮酸运输体与质子一起进入线粒体基质，被基质内的丙酮酸脱氢酶系氧化成乙酰-CoA 在缺氧状态或无氧状态下NADH和丙酮酸的命运（1）乳酸发酵（2）酒精发酵,线粒体内膜上的甘油-3-磷酸和苹果酸-天冬氨酸穿梭系统,丙酮酸的代谢去向,糖酵解的生理意义,产生ATP提供生物合成的原料糖酵解与肿瘤 缺氧与缺氧诱导的转录因子,甘油和其它单糖进入糖酵解的途径,糖异生,糖异生,泛指细胞内由乳酸或其它非糖物质净合成葡萄糖的过程。它主要发生在动物的肝脏（80）和肾脏（20），是动物细胞自身合成葡萄糖的唯一手段。植物和某些微生物也可以进行糖异生。,糖异生与糖酵解途径的比较,糖异生的底物(动物),丙酮酸,

7、 乳酸, 甘油, 生糖氨基酸，所有TCA循环的中间物偶数脂肪酸不行!因为偶数脂肪酸氧化只能产生乙酰CoA，而乙酰CoA不能提供葡萄糖的净合成,糖异生涉及的反应,并不是糖酵解的简单逆转，其原因是：一是因为糖酵解有三步不可逆反应二是机体在对这两种代谢实行交互调控的时候不允许它们同时被激活或被抑制，否则就会陷入无效循环之中。,糖异生 II,某些反应“借用于糖酵解”，某些反应是新的糖异生保留了糖酵解途径中的所有可逆反应（第二步，第四步第九步）属于自己的新反应只有四步反应。在这四步反应中，有两步反应被用来克服糖酵解的最后一步不可逆反应，其余两步反应用来克服糖酵解的第三步和第一步不可逆反应。新的反应也提供

8、了新的调控机制,丙酮酸羧化酶,糖异生的第一步反应存在于线粒体基质，需要生物素辅基由ATP驱动羧化反应,果糖-1,6-二磷酸酶,将 F-1,6-P水解成F-6-P,葡糖-6-磷酸酶,催化葡糖-6-磷酸水解成葡萄糖 存在于肝、肾细胞内质网膜上。肌肉和脑细胞没有这种酶，故不能进行糖异生 G-6-P需要进入内质网腔才能水解,其它物质进入糖异生的途径,Cori循环和Ala循环,TCA 循环是糖、氨基酸和脂肪酸最后共同的代谢途径,也称为柠檬酸循环和Krebs循环 糖酵解产生的丙酮酸（实际上是乙酸）被降解成CO2 产生一些ATP产生更多的NADH NADH进入呼吸链，通过氧化磷酸化产生更多的ATP。,完整的

9、三羧酸循环,乙酰CoA的形成,脂肪酸的氧化氨基酸的氧化分解丙酮酸的氧化脱羧由丙酮酸脱氢酶系催化,丙酮酸的氧化脱羧,丙酮酸如何进入线粒体？ 丙酮酸脱氢酶系的结构与组成丙酮酸脱氢酶系由丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸转乙酰酶和二氢硫辛酸脱氢酶通过非共价键结合在一起的稳定复合物 亚砷酸和有机砷的作用对象氧化型硫辛酰胺的再生对于丙酮酸脱氢酶系的持续运转十分重要，砒霜的主要成分亚砷酸能够与还原型的硫辛酰胺形成共价的复合物而阻止它的再生 。,丙酮酸跨线粒体内膜的转运,砒霜的毒性机理,柠檬酸合酶催化的反应,反应1：柠檬酸合酶,氟代乙酸在细胞内的代谢转变及其对TCA循环的影响,反应2：顺乌头酸酶,柠檬酸异构化成异柠檬

10、酸 柠檬酸不是氧化的好底物,反应3：异柠檬酸脱氢酶,异柠檬酸氧化脱羧产生-酮戊二酸 先是脱氢，然后是-脱羧 有两种形式的异柠檬酸脱氢酶，分别使用辅酶I和辅酶II作为氢的受体,反应4： -酮戊二酸脱氢酶系,第二次氧化脱羧反应 酶几乎等同于丙酮酸脱氢酶系结构上或者机制上5种辅酶TPP、CoASH、硫辛酸 NAD+、FAD 也是亚砷酸的作用对象,反应5：琥珀酰-CoA合成酶,TCA循环唯一的一步底物水平磷酸化反应ATP或GTP被合成,反应6：琥珀酸脱氢酶,产生FADH2 此酶实际上是呼吸链复合体II的主要成分琥珀酸的类似物丙二酸是该酶的竞争性抑制剂,反应7：富马酸酶,双键的水合 水分子加成反式的双键

11、,反应8：苹果酸脱氢酶,产生NADH 这是三羧酸循环的最后一步反应，也是三羧酸循环中的第四次氧化还原反应,TCA 循环总结,总反应：乙酰-CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+3NADH+FADH2+GTP+2H+CoA1个乙酰-CoA通过三羧酸循环产生2CO2, 1 ATP, 3NADH,1FADH22H2O被使用作为底物绝对需要O2吵， 您顺意吵，（吵得）铜壶呼盐瓶！,TCA循环的功能,产生更多的ATP提供生物合成的原料 是糖、氨基酸和脂肪酸最后的共同分解途径某些代谢中间我作为其他代谢途径的别构效应物产生CO2,一分子葡萄糖彻底氧化过程中的ATP 收支情况,三羧酸循环中

12、间物的去向,乙醛酸循环,植物和微生物的三羧酸循环的变化形式在每一轮循环中，前者有两分子乙酰-CoA进入只产生NADH，但不产生FADH2无底物水平磷酸化反应，因此 不产生ATP不生成CO2，无碳单位的损失，净合成了糖异生的前体苹果酸,乙醛酸循环与三羧酸循环的比较,植物细胞内的乙醛酸循环体及线粒体的亚显微结构,植物细胞内乙醛酸循环的生理意义和草酰乙酸的再生,磷酸戊糖途径,又名磷酸己糖支路或6-磷酸葡糖酸途径发生在细胞液由氧化相和非氧化相组成在生物合成旺盛的细胞中更加活跃,葡萄糖,葡糖-6-磷酸,果糖-6-磷酸,糖酵解,糖原,PPP,70%,30%,氧化相,葡糖-6-磷酸脱氢酶 不可逆反应受到调控

13、（受到NADPH抑制）葡糖酸内酯酶 没有酶催化，也能发生葡糖酸-6-磷酸脱氢酶氧化脱羧反应,此酶对NADP+高度特异性的;对NAD+的Km比对NADP+高1 000倍,非氧化相,非氧化相全部由非氧化的可逆反应组成，共有5步，反应的性质是异构或分子重排，通过此阶段的反应，6分子戊糖转化成5分子己糖。 将戊糖转变成糖酵解的中间物。,磷酸戊糖途径的总结,一个葡萄糖分子是不可能完成上述反应的，至少有3个葡萄糖分子同时进入才可以完成；只有6个葡萄糖分子同时进入磷酸戊糖途径，到最后才相当于有一个葡萄糖分子完全被氧化成CO2和H2O；磷酸戊糖途径并不是细胞产生NADPH的唯一途径发生在细胞液，不需要氧气；根

14、据细胞对NADPH、核糖和ATP的需要不同，磷酸戊糖途径可以四种不同的模式存在：快速分裂的细胞需要更多的核糖-5-磷酸以第一种模式存在，需要等量的核糖-5-磷酸和NADPH的细胞以第二种模式存在，需要更多的NADPH以进行生物合成的细胞以第三种模式存在，只需要NADPH和ATP而不需要核糖-5-磷酸的细胞以第四种模式存在,磷酸戊糖途径的功能,与NADPH有关的功能（1）提供生物合成的还原剂NADPH （2）解毒细胞色素P450单加氧酶解毒系统需要NADPH参与对毒物的羟基化反应。（3）免疫（4）维持红细胞膜的完整 （5）间接进入呼吸链 与核糖-5-磷酸有关的功能 提供核苷酸及其衍生物合成的前体

15、核糖-5-磷酸与赤藓糖-4-磷酸有关的功能 芳香族氨基酸和维生素B6的合成需要赤藓糖。,生物合成与磷酸戊糖途径活性的关系,巨噬细胞膜上的NADPH氧化酶的防御功能,脂肪代谢,脂肪代谢,脂肪的水解 （1）外源性脂肪在消化道内的水解（2）内源性脂肪的动员受激素的控制脂肪的合成（1）甘油的活化（2）脂肪酸的活化（3）磷脂酸的形成（4）甘油二酯的形成（5）脂肪的形成,受激素控制的内源性脂肪动员,脂肪酸代谢,脂肪酸的分解代谢,脂肪酸的分解是以氧化的形式进行的，而氧化的方式有-氧化、-氧化和-氧化，其中-氧化是主要的方式。,-氧化的反应历程,脂肪酸的活化脂酰-CoA的转运四步反应的重复循环,CoA激活FF

16、A，以便其氧化,脂酰-CoA合成酶将脂肪酸与 CoA缩合，伴随着ATP水解成AMP 和 PPi 脂酰-CoA的形成付出了巨额的能量代价但随后 PPi 的水解驱动了反应前进,脂肪酸的活化,肉碱作为脂酰基的载体,肉碱将脂酰基运载通过线粒体内膜短链脂肪酸可以直接进入线粒体基质长链脂肪酸不行。长链脂肪酸要先转变成脂酰肉碱，才可以进入基质在基质，脂酰-CoA重新形成。,（脂肪酸氧化的限速步骤）,脂酰-CoA的跨线粒体内膜的转运,脂肪酸的 -氧化,四步反应的重复循环前三步的反应(脱氢、加水、再脱氢）发现在其他代谢途径之中产物：乙酰-CoA、少两个C的脂酰-CoA、 FADH2和NADH,一轮-氧化循环的四

17、步反应,-氧化小结,以1分子软脂酸为例，需要经过7轮-氧化循环，共产生8分子乙酰-CoA、7分子FADH2和NADH，总反应式为： 软脂酰-CoA7FAD7NAD7H2O 8乙酰-CoA7FADH27NADHH其完全氧化可以产生106分子ATP,1分子软脂酸彻底氧化以后ATP的收支情况,-氧化的功能,产生ATP，其产生ATP的效率要高于葡萄糖。产生大量的H2O。这对于某些生活在干燥缺水环境的生物十分重要，像骆驼已将-氧化作为获取水的一种特殊手段。,脂肪酸的-氧化,-氧化直接在游离的脂肪酸上进行，它并不需要激活，不产生ATP，既可以发生在内质网，也可以发生在线粒体或过氧化物酶体。 先天缺乏-氧化

18、相关的酶可导致Refsum氏病。,植烷酸这样的脂肪酸因它的-碳原子被甲基封闭住了，在细胞内难以直接进行-氧化，必须先通过-氧化去除1个碳原子以后才可以进行-氧化。,酮体,包括丙酮、乙酰乙酸和D-羟丁酸，其合成的场所位于肝细胞的线粒体基质。是脑、心脏和肌肉的燃料是饥饿期间脑细胞的注意能源是脂肪酸可运输的形式!,酮体的形成,酮体的利用,脂肪酸的合成代谢,除了植物在质体内，其它生物合成的场所均为细胞液；从头合成需要乙酰-CoA作为引物；丙二酸单酰-CoA作为活化的“二碳单位”供体；丙二酸单酰-CoA的脱羧反应和NADPH作为驱动碳链延伸的动力；软脂酸通常是反应的终产物；软脂酸以外的脂肪酸通过修饰、延

19、伸等反应形成。,脂肪酸分解与合成的比较,挑战：细胞液中的乙酰CoA从何而来？,氨基酸降解在细胞液产生乙酰CoA脂肪酸氧化在线粒体产生乙酰CoA糖酵解产生的丙酮酸进入线粒体基质转变成乙酰CoA柠檬酸-丙酮酸穿梭系统提供细胞液中的乙酰CoA和NADPH,植物和动物体内的去饱和反应,哺乳动物细胞的去饱和能力有限，它不能在大于9号位C原子的位置引入双键，但植物细胞没有此限制。,蛋白质降解及氨基酸代谢,蛋白质降解,细胞外降解细胞内降解不依赖于ATP的降解途径 发生在溶酶体依赖于ATP的降解途径 i) N-端规则和“PEST” 序列 ii)需要泛素 iii)降解发生在蛋白酶体 iiii) 高度调控,N-端

20、规则,一种蛋白质的半衰期与N-端氨基酸的性质有关。如果一种蛋白质N端的氨基酸是 Met, Ser, Ala, Thr, Val或Gly，则半衰期较长，大于20个小时。 如果一种蛋白质的N端氨基酸是Phe, Leu, Asp, Lys或 Arg ，则半衰期较短，3分钟或者更短。,N-端氨基酸与蛋白质半寿期之间的关系,PEST蛋白,富含Pro (P), Glu (E), Ser (S)和Thr (T) 序列的蛋白质质被称为PEST 蛋白， 它们比其他蛋白质更容易发生水解。,泛素,泛素广泛存在于古细菌和所有的真核生物，但不存在于真细菌。它由76个氨基酸残基组成，是一种高度保守的蛋白质。泛素本身并不降

21、解蛋白质，它仅仅是给降解的靶蛋白打上标记，降解过程由26S蛋白酶体执行。,蛋白酶体,20S核心颗粒，形状如桶，为大的多功能蛋白酶复合物，降解细胞内多聚泛酰化的蛋白质19S帽状调节颗粒 ，负责识别泛酰化的蛋白质，并将它们去折叠以及输送到蛋白酶活性中心。,26S,蛋白酶体的结构以及靶蛋白进入蛋白酶体的水解过程,氨基酸代谢,1. 氨基酸降解 1) 氨基的去除 脱氨基 i) L-氨基酸氧化酶 ii) D-氨基酸氧化酶 iii) 谷氨酸脱氢酶 转氨基 联合脱氨基 2) 碳骨架的命运 生酮氨基酸和生糖氨基酸 3) 氨基的排泄和解毒2. 氨基酸合成,氧化脱氨基反应,谷氨酸脱氢酶催化的氧化脱氨基反,转氨基反应

22、,转氨基反应是指一种氨基酸的氨基被转移到一种-酮酸的酮基上形成一种新的氨基酸和一种新的-酮酸的过程。催化此反应的酶被称为转氨酶。转氨反应是完全可逆的，因此它既参与氨基酸的降解，又参与氨基酸的合成。转氨酶有多种，但是每一种转氨酶都需要磷酸吡哆醛作为辅基，而且绝大多数转氨酶以谷氨酸作为氨基的供体或者以-酮戊二酸为氨基的受体。并不是所有的氨基酸都可以发生转氨基反应，Thr, Pro, lys是例外。,转氨基反应,联合脱氨基反应,C 骨架的命运,生糖氨基酸：其他生酮氨基酸: Leu & Lys生酮兼生糖氨基酸: Trp, Thr, Tyr, Ile, Phe (tttip),氨基酸碳骨架的代谢,铵离子

23、的命运,直接排出体外植物将其转变成Asn (Asn合成酶)动物将其转变成Gln (Gln合成酶)尿素或尿酸,N的命运,尿素循环,尿素是通过尿素循环产生的，它发生在哺乳动物的肝细胞。尽管参与尿素循环的个别酶还发现在其它组织，但完整的尿素循环仅存在于肝细胞。肝外组织氨基酸分解产生的氨主要通过Gln运输到肝细胞，但肌肉蛋白分解产生的Ala可经血液循环进入肝细胞。此外，在细胞内合成NO的反应中，精氨酸转变成瓜氨酸，后者是尿素循环的中间物。瓜氨酸需要重新转变为精氨酸，以补充被消耗的精氨酸，因此，在使用NO作为信号分子的细胞中含有足够的与尿素循环相关的酶，以维持细胞内精氨酸的供应。,尿素循环,氨基酸的生物合成,植物和微生物在有合适的N源时能够从头合成所有的20 种标准氨基酸。而哺乳动物只能制造其中的10种，这10种氨基酸被称为非必需氨基酸，其余10种氨基酸必需从食物中获取，被称为必需氨基酸。任何氨基酸合成的前体都来自于糖酵解、TCA循环或磷酸戊糖途径，其中N原子通过Glu或Gln进入相关的合成途径，而合成的场所有的在细胞液，有的在线粒体。,