糖类分解代谢ppt课件.ppt

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1、5.1 新陈代谢概论5.2 生物体内的糖类5.3 双糖和多糖的酶促降解5.4 糖酵解5.5 三羧酸循环5.6 磷酸戊糖途径5.7 糖醛酸途径,5 糖类分解代谢,5.1 新陈代谢概论,同化作用(assimilation)合成代谢,异化作用(dissimilation)分解代谢,新陈代谢是生物与周围环境进行物质和能量交换的过程.,新陈代谢,影响因素,遗传主要,环境次要,绝大多数代谢反应在温和条件下，由酶催化进行。繁多的代谢反应相互配合，有条不紊，彼此协调且 有严格的顺序性。新陈代谢是对内外环境条件高度适应和灵敏调节而 成的一个有规律的总过程。每一代谢都有各自的代谢途径。生物大分子合成和分解都是逐步

2、进行，并伴随能量 的吸收和释放。,新陈代谢类型的特点：,苯环化合物示踪法：Knoop利用苯甲酸、苯乙酸 标记脂肪酸，提出了脂肪酸-氧化学说。,5.1.2 代谢的研究方法,放射性同位素示踪法：卡尔文以14CO2饲喂植物，再用纸层析分离CO2代谢的中间物，提出光合作用中CO2转变为糖的卡尔文循环(Calvin cycle)。,5.1.2.1 示踪法,稳定同位素示踪法：利用15NH4Cl，标记DNA分子，证明了DNA的半保留复制方式。,5.1.2.2 抗代谢物、酶抑制剂的应用,在离体条件下，使用抗代谢物和酶抑制剂阻抑、改变 反应,观察被抑制或改变后的结果,推测中间代谢。,5.1.2.3 体内试验和体

3、外试验,体内研究(in vivo)以生物整体进行中间代谢研究称为体内研究，包括用整体器官或微生物细胞群进行的研究。Knoop以犬为研究对象，饲喂苯环标记的脂肪酸，再研究犬尿中苯标记物状态。,体外研究(in vitro，no vivo)以组织切片、匀浆、提取液为材料进行研究。Krebs以肌肉糜(匀浆)为材料，研究抑制剂和反应物加入后对反应中间物和代谢终产物的影响，确定了三羧酸循环的反应历程。,糖是具有实验式(CH2O)n的多羟基醛或酮，分为单糖、寡糖、多糖、结合糖四类。,5.2 生物体内的糖类,生物体内重要能源,分解产生ATP供需能代谢之用。,糖的生物学作用：,分解代谢的许多中间物是合成AA,脂

4、肪,核苷酸原料。,糖与蛋白质、脂类结合成复合糖，参与细胞识别、防御、免疫、粘附、结构等多种过程。,非糖代谢底物可经过其它途径,再转化为糖分解代谢的 中间物，彻底氧化分解或者沿糖异生途径转化为糖，形成了以糖为中心的代谢网络。,结构功能，如纤维素等。,单糖是最简单的，不再被水解成更小的糖单位。(CH2O)n n=39,5.2.1 单糖(monosaccharides),根据单糖结构特点又分为醛糖和酮糖。,根据单糖碳原子数目分为丙、丁、戊、已糖等。,丙糖中的醛糖是甘油醛，有一个不对称碳原子，故其 构型有D-甘油醛和L-甘油醛之分。凡可视为D-甘油醛衍生物的糖都是D-糖；凡可视为L-甘油醛衍生物的糖都

5、是L-糖。,自然界中单糖多为醛糖,己糖最普遍,最重要;戊糖次之。,己醛糖中葡萄糖分布最广,是构成淀粉、糖原、纤维素 及其他许多糖类物质的基本单位。,单糖具有旋光性，旋光度可借旋光仪测得，计算得到 旋光率。单糖能与酸、碱起作用，不同条件下氧化 产生不同类型酸。单糖被还原成醇,有成蜡,成糖苷和成腙,成脎反应，常借助这些反应分析，鉴定糖。,葡萄糖是人类血液的正常成分，给机体提供能量。,已糖多以较稳定的1:5氧桥的六元环结构(吡喃型)存在。,单糖中的酮糖，与醛糖相同，具有环状结构，五元环 呋喃型糖较常见。,在溶液中，六元环结构己糖常与极少量1:4氧桥五元环 结构(呋喃型)糖成平衡状态。戊糖以呋喃型结构

6、存在。,在环状结构中戊糖、己糖分别含有四个、五个不对称 碳原子，它们分别有24，25种同分异构体。,每种糖依据第一碳原子上羟基和氢的相对空间位置分为 和型两类，它们互为异头物。,双糖中常见的是蔗糖(sucrose)、麦芽糖(maltose)、乳糖(lactose)。,5.2.2 寡糖(oligosaccharides),寡糖是少数单糖(210)的缩合产物，最重要的是双糖。,麦芽糖和乳糖仍有一个自由醛基半缩醛基，故仍具有还原、成脎、变旋等性质。,蔗糖分子由葡萄糖和果糖经醛、酮基缩合，是非还原糖。失去还原、成腙、变旋等特性。,麦芽糖分子由两分子葡萄糖缩合；乳糖分子由葡萄糖和半乳糖通过1,4-糖苷键

7、连接起来。,常见的有由一种类型的糖基组成的淀粉(starch)、糖原(glycogen)和纤维素(cellulose)等。,5.2.3 多糖(polysaccharides),多糖是多个单糖基通过糖苷键连接而形成的高聚物。,淀粉遇碘液呈紫蓝色反应。能被酸或淀粉酶水解，逐步 降解时遇碘可显出不同颜色。淀粉红色糊精无色糊精麦芽糖 葡萄糖蓝紫 红色 不显色 不显色 不显色,淀粉是由-D-葡萄糖缩合而成,是植物贮存的养料,分为直链和支链淀粉，葡萄糖分子间多是(14)糖苷健，而分支点上是(16)糖苷健。,直链淀粉溶于热水,MD:1.01042.0106,含250300个葡萄糖残基,分子通常卷曲为螺旋形，

8、6 G/圈。直链淀粉遇碘呈紫兰色，最大吸收波长620680 nm。,支链淀粉不溶于热水,MD:5.01044.0108，约含 600个葡萄糖残基,糖链分支点以(16)糖苷键连接,分支短链平均长度为2430个葡萄糖残基。支链淀粉遇碘显紫红色,最大吸收波长530555nm之间。,糖原分子量较淀粉略大，分支较支链淀粉略多，单糖连接方式与支链淀粉相同，分支链平均长度约1218个葡萄糖残基。糖原遇碘显棕红色，最大吸收波长430490nm。较易溶于水，其他性质与淀粉相似。,糖原是动物组织内糖的贮存形式，如肝和肌肉中贮存的养分，有动物淀粉之称。,纤维素是构成植物躯干主要成分，它由许多-D-葡萄糖分子通过(1

9、4)糖苷键缩合生成,其分子甚大，因此纤维素不溶于水，稀酸、稀碱及其他普通有机溶剂。,多糖由一种以上类型的糖及其衍生物残基组成。糖胺聚糖(粘多糖)为含氮多糖。透明质酸,硫酸软骨素,硫酸皮肤素，硫酸角质素、肝素以及硫酸乙酰肝素，存在于软骨,腱等结缔组织和各种腺体分泌粘液中。有构成组织间质，润滑剂、防护剂等多方面作用。多糖研究近20年来取得了突破性的进展，并已成为近代生物化学中一个新兴的活跃领域。,5.3.1 蔗糖、麦芽糖、乳糖的酶促降解5.3.1.1 蔗糖的水解 蔗糖是植物光合作用产物的主要运输形式。在蔗糖合成酶作用下水解,5.3 双糖和多糖的酶促降解,在蔗糖酶(转化酶)作用下水解,5.3.1.2

10、 麦芽糖的水解麦芽糖酶可催化麦芽糖水解为葡萄糖。,5.3.1.3 乳糖的水解 乳糖在-半乳糖苷酶催化下水解为葡萄糖和半乳糖。,乳糖,麦芽糖,5.3.2.1 淀粉酶促水解,5.3.2 淀粉(糖原)的酶促降解,淀粉(糖原)有水解和磷酸解两种酶促降解途径。,-淀粉酶:耐热(70,15min)不耐酸(pH3.3)，在淀粉 分子内部随机水解-1,4糖苷键，将直链淀粉水解的 产物为葡萄糖,麦芽糖;支链淀粉作用产物为葡萄糖,麦芽糖和糊精。,-淀粉酶:耐酸不耐热,从多糖非还原端的-1,4 糖苷键，将直链淀粉水解成麦芽糖；将支链淀粉(或糖原)水解为麦芽糖和极限糊精。,脱支酶(R酶)专一水解-1,6糖苷键。支链淀

11、粉经淀粉 酶水解产生极限糊精,由脱支酶水解去除-1,6键连接 葡萄糖，再在-淀粉酶和-淀粉酶作用下彻底水解。麦芽糖酶水解麦芽糖和糊精-1,4糖苷键,生成葡萄糖.,淀粉磷酸化酶广泛存在于叶片及绝大多数贮藏器官中,催化-1,4葡聚糖非还原末端的葡萄糖转移给Pi,生成 G1P,同时产生一个新非还原末端,继续进行磷酸化。,5.3.2.2 淀粉的磷酸解,淀粉+n H3PO4=n G1P,糖原磷酸化酶主要位于肝脏,分解糖原直接补充血糖。糖原磷酸化酶(glycogen phosphorylase)是糖原降 解限速酶，在一定条件下可相互转变的两种形态：糖原磷酸化酶a(活化态)、糖原磷酸化酶b(失活态),5.3

12、.2.3 糖原的磷酸解,糖原在磷酸化酶a作用下,从非还原端逐个磷酸解下葡萄 糖基生成G1P,切至离分支点4个葡萄糖残基处停止，再由-1,4-1,4-寡聚糖基转移酶切下分支点麦芽三糖，同时将它转移到另一链上以-1,4糖苷键连接，被加长 支链仍由糖原磷酸化酶a磷酸解,连接有1个葡萄糖残基 的-1,6糖苷键由脱支酶水解形成葡萄糖。,糖原,纤维素是由100010000个-D-葡萄糖通过-1,4糖苷键连接的直链分子，是植物细胞壁的主要组分。纤维素可在酸或纤维素酶作用下水解为-葡萄糖。,5.3.3 细胞壁多糖的酶促降解,在生物体内首先要将多糖水解为单糖才能为生命活动提供能源或碳源。葡萄糖是大多数有机体生命

13、活动的主要能源，细胞通过分解葡萄糖将其中所含的化学能转化成细胞能够利用的形式(ATP)。,单糖的分解代谢,G彻底氧化分解成CO2、H2O经历EMP-TCA、电子传递、氧化磷酸化阶段将氧化释放能量转变成ATP,糖酵解是指葡萄糖在酶作用下，在细胞质中经一系列脱氢氧化分解成丙酮酸的过程。由于氧化分解没有氧气参与，故称为糖酵解。G.Embden,O.Meyerhof,J.K.Parnas在研究糖酵解途径中作出了重大贡献，简称为EMP途径。EMP 细胞学定位：细胞质,5.4 糖酵解(glycolysis)EMP,5.4.1 糖酵解的概念,5.4.2 EMP的生化历程,EMP,己糖的磷酸化(1-3),磷酸

14、己糖的裂解(4-5),丙酮酸的生成(6-10),第一阶段：葡萄糖 1,6-二磷酸果糖,第二阶段：1,6-二磷酸果糖 3-磷酸甘油醛,第三阶段：3-磷酸甘油醛 丙酮酸,第三阶段：3-磷酸甘油醛 丙酮酸,5.4.2.1 己糖的磷酸化葡萄糖的磷酸化(phosphorylation of glucose)G在己糖激酶(HK)作用下消耗ATP，生成 G6P，这不仅活化了G，也有利于进一步参与合成与分解代谢，同时还能使进入细胞的G不再逸出细胞。Mg2+是HK的激活剂，己糖激酶HK是第1个限速酶。,6-磷酸葡萄糖的异构反应(isomerization of glucose-6-phosphate)磷酸己糖异

15、构酶(phosphohexose isomerase)催化 6-磷酸葡萄糖(G6P)转变为 6-磷酸果糖(F6P)。,磷酸果糖激酶(phosphofructokinase,PFK)催化F6P第一位C上磷酸化生成 FBP,磷酸根由ATP供给。,Mg2+是PFK的激活剂,己糖激酶PFK是第2个限速酶。,6-磷酸果糖的磷酸化(phosphorylation of fructose-6-phosphate),1.6-二磷酸果糖的裂解(cleavage of fructose 1,6 di/bis phosphate),5.4.2.2 磷酸己糖的裂解,醛缩酶(aldolase)催化FBP生成 DHAP

16、和 GAP。,磷酸二羟丙酮的异构反应(isomerization of dihydroxyacetonephosphate),磷酸丙糖异构酶(triose phosphate isomerase)催化 DHAP 转变为 GAP。1分子葡萄糖生成2分子3-磷酸甘油醛，通过两次磷酸化作用消耗 2 分子ATP。,3-磷酸甘油醛的氧化(oxidation of glyceraldehyde-3-phosphate）3-磷酸甘油醛脱氢酶催化 GAP 氧化脱氢并磷酸化 生成含有1个高能磷酸键的BPGA，反应脱下的氢 和电子转给NAD生成NADH,磷酸根来自无机磷酸。,5.4.2.3 丙酮酸的生成,磷酸甘油

17、酸激酶(phosphaglycerate kinase,PGK)催化BPGA生成 3-PGA,同时其C1上高能磷酸根转移给ADP生成ATP。,1.3-二磷酸甘油酸的高能磷酸键转移反应,此步反应为第一次底物水平磷酸化过程。,在底物氧化过程中，将底物分子中高能磷酸基团直接 转移给ADP，偶联生成ATP的反应,称此类反应为 底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)。,磷酸甘油酸变位酶(phosphoglycerate mutase)催化 3-PGA的C3位上的磷酸基转变到C2位上生成2-PGA。,3-磷酸甘油酸的变位反应,由烯醇化酶(enolase)催化，2-

18、PGA脱水的同时，能量重新分配，生成含高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate,PEP)。,2-磷酸甘油酸的脱水反应,在丙酮酸激酶(pyruvate kinase,PK)催化下，PEP上的高能磷酸根转移至ADP生成ATP。此步是第二次底物水平的磷酸化过程。,磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸转移,Mg2+是PK的激活剂,丙酮酸激酶PK是第3个限速酶。,Glycolysis,G,G6P,F6 P,FBP,DHAP,GAP,BPGA,3-PGA,2PGA,PEP,Pyr,Lac,Hexokinase,Phosphoglucoseisomerase,Phosphofructokina

19、se,Aldolase,Triosephosphateisomerase,Glyceraldehyde3-phosphatedehydrogenase,Phosphoglyceratekinase,Phosphoglyceratemutase,Enolase,Pyruvate kinase,Lactate dehydrogenase,NADH NAD,NADH NAD,ATP,ATP,ATP,ATP,ADP,ADP,ADP,ADP,EMP总结,3阶段10步反应3步不可逆2步耗能2步产能2步底物水平磷酸化1步脱水,G+2Pi+2NAD+2ADP2Pyr+2ATP+2NADH+2H+2H2O,1分

20、子 G 经过 EMP 氧化分解产生 2个Pyr，2个ATP,2个 NADH。2个NADH若进入有氧彻底氧化途径,可产生5个 ATP。因此：EMP 共生成7个ATP。G+2Pi+2NAD+2ADP2Pyr+2ATP+2NADH+2H+2H2O,5.4.3 糖酵解的化学计量于生物学意义,EMP是糖的有氧氧化和无氧氧化的一段共同途径。EMP是有机体无氧条件下获得能量的一种适应方式。EMP一些中间产物可作为合成其它重要生命 物质原料.EMP在糖与非糖物质相互转变过程中起着重要作用。,EMP的生物学意义,5.4.4 糖酵解的其它底物,5.4.5 丙酮酸的去路,丙酮酸,有氧氧化,无氧还原,乳酸脱氢酶,丙酮

21、酸脱羧酶,乳酸,乙醛,乙醇,TCA循环,CO2+ATP,乳酸的生成乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase)催化 Pyr 脱氢生成 Lac。Pyr作为氢接受体将GAP脱氢生成的NADH氧化为NAD，使糖酵解继续进行。,在酵母菌或其他微生物中，丙酮酸脱羧酶催化丙酮酸 脱羧变成乙醛，乙醛在醇脱氢酶催化下被NADH还原形成乙醇。乙醇发酵存在于真菌和缺氧的植物器官(如淹水的根)中.乙醇发酵可用于酿酒、面包制作等。在有氧条件下乙醛可被氧化生成乙酸。,生成乙醇,代谢受到严格而精确的调节,以满足机体需要,保持内 环境稳定。这种控制主要是通过调节酶活性来实现的。在一个代谢过程中往往催化不可逆反应

22、的酶限制代谢 反应速度，这种酶称为限速酶。,5.4.6 糖酵解的调节,糖酵解途径中己糖激酶(HK)，磷酸果糖激酶(PFK)和丙酮酸激酶(PK)是主要限速酶，调节着糖酵解速度，以满足细胞对ATP和合成原料的需要。,三个限速酶中起决定作用的是催化效率最低的酶PFK。因此它是一个限速酶，酵解速度主要决定于其活性。F6P、FBP、ADP、AMP是磷酸果糖激酶(PFK)别构激活剂。ATP、柠檬酸等是 PFK 的别构抑制剂。,5.4.6.1 磷酸果糖激酶(PFK),ATP 既是 PFK作用的底物，又起抑制作用。酶活性中心对ATP的Km值低,别构中心对ATP的Km高。当ATP浓度低时,ATP和酶的活性中心结

23、合作为底物，酶发挥正常的催化功能；当ATP浓度高时，ATP可被酶的别构中心结合，引起酶构象改变而失活，ATP是别构抑制剂。ATP通过浓度变化影响 PFK 活性，调节EMP 速度。,柠檬酸和脂肪酸分别是糖有氧分解中间物和以糖分解中间物为原料合成的产物。,PFK被H+抑制，在pH明显下降时糖酵解速率降低。这防止在缺氧条件下形成过量乳酸而导致酸毒症。,柠檬酸和脂肪酸对磷酸果糖激酶的别构抑制,H+对磷酸果糖激酶的调节,果糖-2,6-二磷酸激酶(PFK2)催化 F6P磷酸化形成 F-2,6-BP;而果糖-2,6-二磷酸酯酶(FBPase2)催化F-2,6-BP 水解去磷酸形成 F6P。,果糖-2,6-二

24、磷酸对磷酸果糖激酶的调节,但这两个相反催化活性酶是集两种活性为同一多肽链 的双功能酶。N端一半为PFK2的活性中心,C端一半 为FBPase2活性中心,一般写作:PPK2/FBPase2。,当血液中葡萄糖G水平降低时,激活胰高血糖素释放于 血液中,启动cAMP级联系统使PFK2/PBPase2多肽上 特定的一个Ser残基磷酸化，使FBPase2活化、PFK2 抑制,使FBP水平降低,降低了糖酵解水平。,F6P激活其PFK2活性而抑制其FBPase2活性,而FBP 强烈激活PFK，F6P高时促进糖酵解进行。,反之,当G水平高时，蛋白磷酸酶水解PFK2/FBPase2上的磷酸导致FBP升高，提高糖

25、酵解速率。,己糖激酶(HK)的别构抑制剂为其产物 G6P。当磷酸 果糖激酶(PFK)活性被抑制时,底物 F6P积累,进而使 G6P浓度升高，从而引起HK活性下降。,5.4.6.2 己糖激酶(HK),5.4.6.3 丙酮酸激酶(PK),丙酮酸激酶具有变构酶性质，高浓度ATP、Ala、乙酰CoA等代谢物反馈抑制其活性。,当ATP生成量超过细胞需要时,通过PK别构抑制使EMP速度减低。cAMP激活蛋白激酶也使PK磷酸化而失活.,ADP是变构激活剂，Mg2+或K+可激活PK活性。,1937年，H.A.Krebs以鸽胸肌为材料,研究丙酮酸在有氧条件下在线粒体中被氧化分解为CO2,整个氧化分解过程构成一个

26、循环,且反应中有三个羧基的有机酸,称三羧酸循环、柠檬酸循环、Krebs循环。,5.5 三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA),TCA 循环：EMP的终产物丙酮酸在有氧条件下进入 线粒体，氧化分解为CO2的过程。,TCA 循环在动植物、微生物细胞中普遍存在，不仅是 糖分解代谢的主要途径，也是脂肪、蛋白质分解代谢的最终途径，具有重要的生理意义。,突出性贡献，经典性成就，1953年诺贝尔生理医学奖。,三羧酸循环,草酰乙酸,柠檬酸,异柠檬酸,a-酮戊二酸,琥珀酸辅酶A,琥珀酸,延胡索酸,苹果酸,乙酰辅酶A,5.5.1 丙酮酸氧化为乙酰CoA,Pyr脱氢酶系(pyruva

27、te dehydrogenase system):多酶复合体,位于线粒体内膜上,催化Pyr氧化脱羧生成乙酰CoA。,多酶复合体形成紧密相连的连锁反应,提高了催化效率。酶系催化5步反应,涉及焦磷酸硫胺素(TPP)、硫辛酸、FAD、NAD+、HS-CoA、Mg2+等6种辅因子。,Pyr脱氢酶系3种酶,E1丙酮酸脱羧酶,E2硫辛酸乙酰转移酶,E3二氢硫辛酸脱氢酶,Pyr氧化脱羧过程第一步脱羧反应不可逆，这一反应 体系受到产物和能量物质的调节。乙酰CoA抑制硫辛酸乙酰转移酶E2，NADH抑制二氢硫辛酸脱氢酶E3。抑制效应可被CoA-SH和NAD+逆转。,产物抑制,核苷酸调节,丙酮酸脱羧酶E1受GTP抑

28、制,为AMP活化，当细胞内 富有活跃的化学能时，丙酮酸脱氢酶系活性降低。,Pyr到乙酰CoA是处于各代谢途径分支点的重要步骤。,丙酮酸脱羧酶分子上特殊的Ser残基可被专一磷酸激酶 磷酸化,失去活性,当酶上磷酸基团被专一的磷酸酶 水解时,活性恢复。,共价修饰调节,ATP/ADP,NADH/NAD+,乙酰CoA/CoA-SH,比值高时，,在柠檬酸合成酶(citrate synthetase)催化下，乙酰CoA与草酰乙酸(oxaloacetate,OAA)缩合成柠檬酸(citrate)。,5.5.2 三羧酸循环的运转,乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸,此反应释放能量，不可逆。,乙酰CoA具有硫酯键，

29、乙酰基有足够能量与草酰乙酸的羧基进行醛醇型缩合。先从CH3CO基上除去一个H+,生成的阴离子对草酰乙酸羰基碳进行亲核攻击，生成柠檬酰CoA中间体,高能硫酯键水解放出游离柠檬酸。,变构激活剂：AMP,草酰乙酸和乙酰CoA合成柠檬酸是TCA的重要调节点。,柠檬酸合成酶是变构酶。,变构抑制剂：ATP、-酮戊二酸、NADH,在顺乌头酸酶催化下，柠檬酸脱水生成顺乌头酸，加水生成异柠檬酸。,异柠檬酸形成,在异柠檬酸脱氢酶作用下，异柠檬酸氧化脱氢生成为 草酰琥珀酸(oxalosuccinate)中间产物，再脱羧生成-酮戊二酸(-ketoglutarate)、NADH、CO2。,异柠檬酸氧化脱酸生成-酮戊二酸

30、,此反应为-氧化脱羧，此酶需要Mg2+作为激活剂。,在-酮戊二酸脱氢酶系作用下，-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA、NADH、CO2，氧化产生能量中一部分储存于琥珀酰CoA的高能硫酯键中。,-酮戊二酸氧化脱羧,硫辛酸,-酮戊二酸脱氢酶复合体,受ATP、GTP、NADH、琥珀酰CoA抑制,但不受磷酸化/去磷酸化的调控。,-酮戊二酸脱氢酶系,-酮戊二酸脱羧酶,硫辛酸琥珀酰基转移酶,二氢硫辛酸脱氢酶,3个酶,6个辅酶,TPP,HS-CoA,NAD,FAD,Mg 2+,在琥珀酸硫激酶(succinate thiokinase)作用下，琥珀酰CoA硫酯键水解,生成琥珀酸,释放自由能合成GTP。,琥珀酸的

31、生成,细菌和高等生物可直接生成ATP，在哺乳动物中先生成GTP,再生成ATP,琥珀酰CoA生成琥珀酸和辅酶A。,此步反应为底物水平磷酸化过程。,琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase)催化琥珀酸氧化成为延胡索酸(反丁烯二酸)。,琥珀酸脱氢生成延胡索酸,琥珀酸脱氢酶结合在线粒体内膜上，,琥珀酸脱氢酶含有铁硫中心和共价结合的FAD，来自 琥珀酸的电子通过FAD和铁硫中心，然后进入电子 传递链(ETC)到O2。,其他TCA酶都存在于线粒体基质中。,丙二酸是琥珀酸的类似物，是琥珀酸脱氢酶强有力的竞争性抑制物，所以可以阻断TCA。,延胡索酸酶具有立体异构专一性，仅对反丁烯二酸(延胡

32、索酸)起作用，而对顺丁烯二酸(马来酸)则 无催化作用。,苹果酸的生成,延胡索酸在延胡索酸酶作用下水化生成苹果酸(Mal)。,在苹果酸脱氢酶(malic dehydrogenase)作用下,苹果酸脱氢氧化生成草酰乙酸(OAA)。,草酰乙酸再生,NAD是苹果酸脱氢酶的辅酶，接受氢成为NADH。,Citric acid cycle,Citrate,Succinyl-CoAsynthetase,Aconitase,Citrate synthase,Succinatedehydrogenase,GTP,GDP,Oxaloacetate,Pyruvate,Aconitase,Is ocitratedehy

33、drogenase,Is ocitratedehydrogenase,-Ketoglutaratedehydrogenase,Succinyl-CoA,-Ketoglutarate,Malatedehydrogenase,Pyruvatedehydrogenase,Fumarase,C is-Aconitate,Isocitrate,O xalosuccinate,Succinate,Fumarate,Malate,FAD,FADH2,NAD,NADHCO2,NAD,NADHCO2,NAD,NADH,H2O,H2O,H2O,NAD,NADHCO2,TCA循环总结,4NAD5步氧化还原 1FAD

34、4步不可逆3步脱羧2步加水1步底物水平磷酸化(GDP),TCA中间产物处于不断更新之中,可参与合成其他物质，而其他物质也可不断通过多种途径而生成中间产物。,5.5.2.2 草酰乙酸的回补反应,-酮戊二酸和草酰乙酸是Glu和Asp合成的碳架，琥珀 酰CoA是卟啉环合成的前体，柠檬酸转运至胞液后 裂解成乙酰CoA用于脂肪酸合成，均导致草酰乙酸 浓度下降而影响三羧酸循环的运行。,通过Pyr的羧化、PEP的羧化、Asp转氨、Glu转氨等 回补反应可维持草酰乙酸浓度，使TCA正常运行。,丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下形成草酰乙酸。,草酰乙酸的回补主要途径,丙酮酸的羧化,在动植物和微生物中，还存在由苹果酸酶和

35、苹果酸 脱氢酶联合催化，由丙酮酸合成草酰乙酸。,PEP在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶作用下形成草酰乙酸。反应在胞液中进行，生成的草酰乙酸需转变成苹果酸 后穿梭进入线粒体，再脱氢生成草酰乙酸。,PEP的羧化,天冬氨酸和谷氨酸转氨作用,Asp和Glu经转氨作用可形成草酰乙酸和-酮戊二酸。Ile、Val、Thr、Met 也可形成琥珀酰CoA。,TCA中有 3次脱羧基反应，通过脱羧作用生成CO2，是机体内产生CO2的普遍规律。,5.5.2.3 TCA中的化学计量和特点,CO2的生成,Pyr经Pyr脱氢酶系催化,释放1CO2转变为乙酰CoA，乙酰CoA进入TCA与草酰乙酸缩合成柠檬酸,在TCA 中有2次脱羧,

36、生成 2CO2与进入TCA的二碳乙酰基 的碳原子数相等。,以CO2方式失去的碳并非来自乙酰基,而是来自草酰乙酸。,1分子Pyr经TCA脱氢形成4NADH和1FADH2，经 氧化磷酸化分别能产生10个和1.5个共11.5个ATP，加上TCA本身生成的1个GTP，共12.5个ATP。,脱氢反应,TCA有5次脱氢,4对H还原NAD生成 4NADH,1对H 还原FAD生成1FADH2,它们经线粒体内递氢体系 传递H，最终与O2结合生成H2O，在此过程中释放 能量使ADP和Pi 结合生成ATP(氧化磷酸化)。,1G 产生2Pyr，经 TCA 产生12.5225ATP，这远多于EMP所产生的7ATP。,5

37、.5.3 三羧酸循环的调控,4步不可逆反应,琥珀酰CoA合成,-酮戊二酸合成,TCA只能向单方向进行，产物反馈抑制限速酶：,4个限速酶,柠檬酸合酶(关键限速酶),异柠檬酸脱氢酶,-酮戊二酸脱氢酶,乙酰CoA合成,柠檬酸合成,丙酮酸脱氢酶复合体,TCA是机体产能的主要方式，ATP/ADP与NADH/NAD 两者的比值是主要调节物。,ATP/ADP比值升高，抑制柠檬酸合成酶和异柠檬酶 脱氢酶活性，反之ATP/ADP比值下降则可激活。,NADH/NAD比值升高抑制柠檬酸合成酶和-酮戊二酸脱氢酶活性。,此外，柠檬酸抑制柠檬酸合成酶活性，而琥珀酰CoA 抑制-酮戊二酸脱氢酶活性。,组织中代谢产物决定循环

38、反应的速度，以便调节机体ATP和NADH浓度，保证机体能量供给。,TCA是生物体产能最有效的方式。1分子G经无氧酵解 净生成2个ATP,经TCA彻底氧化分解共生成32个ATP。不但释能效率高，且逐步释能并逐步储存于ATP中。,5.5.4 TCA的生理意义,TCA是机体获取能量的主要方式。,TCA是物质代谢的枢纽。,TCA是糖、脂肪、蛋白质、核酸等物质彻底氧化分解的 共同途径,同时也是几大类物质相互转变的中心环节,因此具有代谢的枢纽作用。,TCA的一些中间产物也是某些植物的贮藏物质。,柠檬酸、苹果酸等既是生物氧化基质，又是积累物质。,在组织匀浆中加入碘乙酸或氟化物等EMP的抑制剂，仍有一定量的G

39、被氧化成H2O和CO2，同位素标记表明，G的氧化首先发生在C1位，不同于EMP。,5.6 磷酸戊糖途径 PPP/HMS,1955年Racker和Gunsalus等发现了磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway，PPP),又称已糖 单磷酸支路(hexose monophosphate shut,HMS)。,磷酸戊糖途径是有O2条件下，在细胞质中将葡萄糖 直接氧化分解为CO2的过程。,G6P在G6P脱氢酶催化下生成6-磷酸葡萄糖酸内酯。,葡萄糖的直接氧化阶段,非氧化的分子重组合阶段,5.6.1 生化历程,PPP,5.6.1 葡萄糖的氧化脱羧阶段,脱氢反应,在6-磷酸葡萄糖酸

40、内酯酶催化下,6-磷酸葡萄糖酸内酯 水解为6-磷酸葡萄糖酸。,水解反应,在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶催化下,6-磷酸葡萄糖酸 经氧化脱羧生成5-磷酸核酮糖、NADPH和CO2。,脱氢脱羧反应,5-磷酸核酮糖(Ru5P)异构化为5-磷酸核糖(R5P)；5-磷酸核酮糖差向异构化为5-磷酸木酮糖(Xu5P)。,5.6.1.2 非氧化的分子重组合阶段,异构化反应,转酮醇酶催化磷酸酮糖上2C单位羟乙酰基转移到 磷酸醛糖的C1上，形成3-磷酸甘油醛(GAP)和7-磷酸景天庚酮糖(S7P)。转酮醇酶转移1个2C单位。,转酮醇反应,转醛醇酶催化7-磷酸景天庚酮糖上的二羟基丙酮基团 转移给3-磷酸甘油醛,生成4-磷

41、酸赤藓糖(E4P)和F6P。转醛醇酶转移1个3C单位。,转醛醇反应,五碳糖和四碳糖经转酮醇酶作用转移二碳单位，形成三碳糖和六碳糖。5+4=3+6,转酮醇反应,F6P经异构化形成 G6P。,异构化反应,从 6G6P开始，经两次脱氢氧化及脱羧后，放出 6CO2，生成65-Ru5P和12NADPH。,5.6.2 磷酸戊糖途径的化学计量与生物学意义,5.6.2.1 磷酸戊糖途径的化学计量,在非氧化阶段,6Ru5P(30个C)经C3,C4,C5,C7 等糖中间代谢物,最后转化成5G6P(30个C)。,表明经6次循环，1分子G6P被分解而产生6分子CO2。,PPP是通过6-磷酸葡萄糖直接脱氢脱羧将糖氧化分

42、解。脱氢酶的辅酶为NADP，无ATP的产生与消耗。,产生大量NADPH，为细胞各种合成反应提供还原力。,5.6.2.2 磷酸戊糖途径的生物学意义,NADPH作为主要供氢体，为脂肪酸、固醇、四氢叶酸 等合成，非光合细胞中硝酸盐、亚硝酸盐还原，以及 氨同化、丙酮酸羧化还原成苹果酸等反应所必需。,R5P是合成核苷酸原料，是NAD、NADP和FAD等组分。E4P与PEP可合成莽草酸，经莽草酸途径可合成芳香族 氨基酸，以及与植物生长(如生长素、木质素合成)和抗病性(如酚类抗毒素等)有关的物质。,PPP的中间产物为许多化合物的合成提供原料。,非氧化重排阶段的一系列中间产物及酶类与光合作用中卡尔文循环大多数

43、中间产物和酶相同，因而磷酸戊糖途径可与光合作用联系起来,并实现某些单糖间互变。,PPP与光合作用联系，实现某些单糖间的互变,在氧化脱羧阶段，G6P脱氢酶是磷酸戊糖途径限速酶，活性受NADP/NADPH比率的调节,NADPH竞争性 抑制G6P脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的活性。磷酸戊糖途径主要受体内NADPH的需求量调节。,5.6.3 磷酸戊糖途径的调控,机体中 NAD/NADH 比 NADP/NADPH 高几个 数量级，使NADPH可以进行有效的反馈抑制调控。只有NADPH在脂肪生物合成中被消耗时才能解除 抑制，再通过6-磷酸葡萄糖脱氢酶产生NADPH。,非氧化阶段戊糖的转变主要受控于底物浓

44、度。R5P 过多时，可转化成F6P和GAP，进行酵解。,转酮醇酶是PPP途径非氧化阶段的重要酶,其辅因子 是TPP，某些遗传缺陷的人体内的转酮醇酶结合 TPP活力仅为正常人的十分之一，当食物中缺乏 硫胺素时，其神经功能显著紊乱，不能辨认方向，记忆力减退，运动器官麻痹，在充分补充TPP后 神经症状可得到缓解。,糖醛酸代谢(uronic acid metabolism)主要在肝脏和红细胞 中进行，它由UDPG上联糖原合成途径,经过一系列 反应后生成磷酸戊糖而进入磷酸戊糖通路,从而构成 糖分解代谢的另一条通路。,5.7 糖醛酸代谢,G1P和UTP在UDPG焦磷酸化酶催化下生成UDPG，UDPG经UDPG脱氢酶的作用进一步氧化脱氢生成 尿苷二磷葡萄糖醛酸(UDPGA)，脱氢酶辅酶是NAD 尿苷二磷葡萄糖醛酸脱去UDP生成葡萄糖醛酸(glucuronic acid)。,葡萄糖醛酸在一系列酶作用下，经NADPH供氢和NAD 受氢的二次还原和氧化的过程，生成Ru5P进入PPP。,糖醛酸代谢的主要生理功能在于代谢过程中生成了 尿苷二磷葡萄糖醛酸，是体内重要的解毒物质之一，同时又是合成粘多糖的原料。此代谢过程要消耗NADPH(同时生成NADH),而PPP 又生成NADPH，因此两者关系密切,当PPP发生障碍 时必然会影响糖醛酸代谢的顺利进行。,