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1、第二篇 代 谢 Part II. Metabolism,物质代谢(metabolism of substrates) biosynthesis & degradation of macromolecules: carbohydrates、lipids、proteins(amino acids)、 nucleic acids(nucleotides) 能量代谢(energy metabolism) generation & storage of metabolic energy (bioenergetics): citric acid cycle、oxidative phosphorylatio
2、n,第四章 糖 代 谢,一、糖的概念及其重要性,Chapter 4. Metabolism of carbohydrates,Section 1. Introduction,有机化学中关于糖的概念(单糖，聚糖，糖苷键等) 糖是有机体的主要能源物质 糖还参与多种物质的构成，发挥重要的生理功能 糖蛋白(glycoprotein)、糖脂(glycolipid)、蛋白多糖(proteoglycan),二、糖的消化吸收,糖的消化：底物与酶 糖的吸收与转运 吸收:主动吸收 转运:葡萄糖转运体,小肠: a-葡萄糖苷酶水解麦芽糖和麦芽三糖成葡萄糖,a临界糊精酶可水解a-1,4和1,6糖苷键,将临界糊精和异麦芽
3、糖水解成葡萄糖,葡萄糖在小肠的主动转运示意图,无氧氧化(糖酵解):G 6-P-G 丙酮酸 乳酸 糖的分解代谢 有氧氧化:G 6-P-G 丙酮酸 CO2+H2O 其中从葡萄糖到丙酮酸这段代谢途径为无氧氧化和有氧 氧化所共有，称为糖酵解途径(glycolytic pathway),第二节. 糖的无氧分解,section 2. Catabolism of glucose,一 糖酵解途径的反应 分为两个阶段： 第一阶段：Glucose 2 triose phosphate 第二阶段：triose phosphate pyruvate + ATP 第一阶段：4 reactions 1. 葡萄糖磷酸化生成
4、6-磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphate),己糖激酶(hexokinase)催化, 需要Mg+为辅酶, 有多种同工酶 糖原葡萄糖基酵解时, 先形成1-磷酸葡萄糖, 再转换成6-磷酸葡萄糖,2. 6-磷酸葡萄糖转变为6-磷酸果糖(fructose-6-phosphate),酮糖与醛糖之间的异构化 由磷酸己糖异构酶(phosphoglucose isomerase)催化,3. 6-磷酸果糖转变为1,6-二磷酸果糖(fructose-1,6-diphosphate),第二个磷酸化反应 由6-磷酸果糖激酶-1 (6-phosphofructokinase-1)催化,4. 1,6-二磷酸果
5、糖分解为两分子磷酸丙糖(triose phosphate),由醛缩酶(aldolase)催化 丙糖为磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛组成 两个丙糖之间可在磷酸丙糖异构酶(triose phosphate isomerase)的作用下互变,第二阶段：2 steps, generate 1ATP respectively(4ATP in total) 1. Generation of the first ATP ( 2 reactions ),CHO CHOH + NAD+ + Pi CH2OPO3 2,O C-O PO3 2 CHOH + NADH + H+ CH2OPO3 2,O C-O PO3
6、2 CHOH + ADP CH2OPO3 2,O C-O CHOH + ATP CH2OPO3 2,phosphoglycerate kinase,3-磷酸甘油醛(3-PG)的氧化及磷酸化均由3-磷酸甘油醛脱氢酶(glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase)催化 第一个底物水平磷酸化(substrate phosphorylation),2. Generation of a second ATP ( 3 reactions ),第一个反应由磷酸甘油酸变位酶(phosphoglyceromutase) 催化 第二个反应由烯醇化酶(enolase)催化 第三个
7、反应由丙酮酸激酶(pyruvate kinase)催化 这是第二个底物水平磷酸化(substrate-level phosphorylation),F G,FG,The glycolytic pathway,糖酵解途径中ATP的消耗与产生 Consumption and generation of ATP in glycolysis,Glucose glucose 6-phosphate -1 Fructose 6-phosphate fructose 1,6-diphosphate -1 2 1,3-Diphosphoglycerate 2 3-phosphoglycerate +2 2 P
8、hosphoenolpyruvate 2 pyruvate +2 Net +2,Reaction,ATP change per glucose,Net reaction: Glucose + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ 2pyruvate + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O,(三). 糖酵解途径的调节 糖酵解途径中有三个非平衡反应，催化这些反应的酶是调节糖酵解途径流量的关键因素。,1. 磷酸果糖激酶(Phosphofructokinase),是糖酵解途径中最重要的调节因素。 是一个四聚体酶(tetrameric enzyme)，具有别构调节作用(allosteri
9、c effect)。 高浓度ATP可抑制其活性(别构抑制)。 可被AMP、ADP和双磷酸果糖激活。 可被柠檬酸抑制(负反馈)。,2. 丙酮酸激酶(Pyruvate kinase),同时具有别构调节作用和共价修饰调节。 ATP是其主要的别构抑制剂。 丙氨酸也具有别构抑制作用。 磷酸化失活(共价修饰调节)。 1,6-双磷酸果糖是其别构激活剂。,3. 葡萄糖激酶或己糖激酶(Glucokinase or hexokinase),己糖激酶被6-磷酸葡萄糖抑制，而葡萄糖激酶则不受其影响。 长链脂酰CoA对其有别构抑制作用。 Insulin可诱导基因转录，促进酶合成(酶含量调节)。 肝脏中葡萄糖激酶的Km值
10、较高，为大脑及肌肉组织首先利用葡萄糖提供了条件。,1. 糖酵解(glycolysis) 指机体缺氧时，葡萄糖经酵解途径生成的丙酮酸最终转变为乳酸的过程。 2. 丙酮酸生成乳酸的反应,由乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase)催化。 由3-磷酸甘油醛氧化生成的NADH提供H原子，进行还原反应。 乳酸脱氢酶有多种同工酶，在不同组织发挥不同作用。,二、糖酵解(glycolysis),3. 糖酵解的总反应 Glucose + 2Pi + 2ADP 2lactate + 2ATP + 2H2O 4. 糖酵解的生理意义 主要是在机体缺氧时，能迅速提供能量。,指葡萄糖在有氧条件下彻底氧化生成
11、CO2和H2O。 (一). 有氧氧化的反应,分为三个阶段： 葡萄糖 丙酮酸(糖酵解途径) 丙酮酸 乙酰CoA(氧化) 乙酰CoA CO2 (三羧酸循环),第三节、糖的有氧氧化(aerobic oxidation),胞 液,线粒体,1. 葡萄糖 丙酮酸:见前糖酵解途径 2. 丙酮酸乙酰CoA 乙酰CoA(acetyl coenzyme A, acetyl CoA) 是物质代谢中最重要的中间产物,Pyruvate + CoA + NAD+ acetyl CoA + CO2 + NADH + H+,催化反应的酶：丙酮酸脱氢酶复合体 (pyruvate dehydrogenase complex) 该
12、复合体由三个酶组成：以转乙酰化酶为核心，分别连接丙酮酸脱氢酶和二氢硫辛酸脱氢酶。,总反应式：,丙酮酸脱氢酶(E1): TPP(VitB1) 二氢硫辛酰胺转乙酰化酶(E2): 硫辛酸、辅酶A（泛酸） 二氢硫辛酰胺脱氢酶(E3): FAD(VitB2)、NAD+(PP),TPP,硫辛酸,酶蛋白,分子简式：CH3COSCoA,辅酶A,具体反应的进行： (1). 丙酮酸脱羧生成羟乙基-TPP,(2). 转乙酰化酶将羟乙基氧化为乙酰基，并转移到硫辛酰胺上，生成乙酰硫酰胺：,(3).乙酰硫酰胺将乙酰基转移给辅酶A生成乙酰CoA：,(4). 硫辛酸重新氧化，将氢递给FAD生成FADH2：,(5). FADH
13、2再使NAD+还原生成NADH：,F,2,FADH2 + NAD+ FAD + NADH + H+,F,F,丙酮酸氧化脱羧相关反应及酶示意图,3. 三羧酸循环和氧化磷酸化： 乙酰CoA的二个碳原子被氧化成CO2，同时进行多次脱氢，最后将氢传递给氧生成H2O，释放大量能量生成ATP。,三羧酸循环的反应过程： （1）缩合反应（生成柠檬酸）,（2）异柠檬酸的生成,（3） 第一次氧化脱羧,（4） 第二次氧化脱羧,（5） 底物水平磷酸化 （5）底物水平磷酸化,三羧酸循环的特点： （1）要在有氧的情况下在线粒体内进行。 （2）产生的ATP多： 102=20ATP 。 （3）有三个关键酶催化的不可逆反应，故
14、整个三羧酸循环 不可逆。 （4）有两次脱羧生成2分子CO2 ,但循环中草酰乙酸并未消耗。 三羧酸循环的生理意义： （1）为机体提供大量的能量。 （2）三羧酸循环是糖、脂、蛋白质彻底氧化分解的共同通路。 （3）三羧酸循环为其它合成代谢提供原料： 乙酰辅酶A作为合成脂肪酸、胆固醇的原料。 CO2作为合成嘌呤、嘧啶的原料。 琥珀酰辅酶A与甘氨酸合成血红素。,(三). 有氧氧化生成的ATP,Consumption and generation of ATP in aerobic oxidation.,Glucose glucose 6-phosphate -1 Fructose 6-phosphate
15、 fructose 1,6-diphosphate -1 2 1,3-Diphosphoglycerate 2 3-phosphoglycerate +2 2 Phosphoenolpyruvate 2 pyruvate +2 2 NADH + 1/2 O2 + H+ 2 H2O + 2 NAD+ +5 or +3 2 Pyruvate 2 acetyl CoA +5 2 acetylCoA CO2 + H2O +20 Net +30 or 32,Reaction,ATP change per glucose,Net reaction: Glucose + 30(32)ATP + 30(32)Pi + 6O2 6CO2 + 36H2O + 30(32)ATP,有氧氧化的特点： 1、有氧氧化的第一阶段反应是在胞液中进行的，第二、 第三阶段的反应在线粒体内进行。 2、整个有氧氧化途径有7个
