代谢及代谢途径[142页]

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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 ATP ATP 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

2、生在所有的活细胞 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

3、在细胞内磷酸化以后不能再离开细胞,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

4、,甘油醛-3-磷酸被氧化成甘油酸-1,3-二磷酸 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,

5、3-BPG的支路,反应8: 磷酸甘油酸变位酶,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

6、更多的ATP。 （2）丙酮酸的命运 丙酮酸经过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

7、异生与糖酵解途径的比较,糖异生的底物(动物),丙酮酸, 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

8、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

9、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

10、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

11、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,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+CoA 1个乙酰-CoA通过三羧酸循环产生2CO2, 1 ATP, 3NADH,1FADH2 2H2O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

12、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

13、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（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

14、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

15、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

16、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FFA，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-氧化循环的四步反应,-氧化小结,以1分子软脂酸为例，需要