11糖酵解、糖异生和戊糖磷酸途径s1

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1、糖酵解、糖异生和戊糖磷酸途径糖酵解、糖异生和戊糖磷酸途径 糖酵解糖酵解 糖酵解进入途径糖酵解进入途径 厌氧条件下的丙酮酸去路：发酵厌氧条件下的丙酮酸去路：发酵 糖异生糖异生 葡萄糖氧化的戊糖磷酸途径葡萄糖氧化的戊糖磷酸途径Glucose occupies a central position in metabolism: - relatively rich in potential energy ( Go = -2,840 kJ/mol) - remarkably versatile precursor (eg. E. coli)LW-11= 3C compoundMajor pathways

2、 of glucose utilization(in plants & animals)P28-1部分自由能在糖酵部分自由能在糖酵解途径中以解途径中以ATP & NADH形式被保存形式被保存核糖核糖-5-磷酸磷酸丙酮酸丙酮酸R5P ( + NADPH)Although not the only possible fates for Glc, these 3 pathways are the most significant in terms of the amount of Glc that flows through them in most cells.2 糖酵解糖酵解 Glycolysi

3、s 概述：糖酵解分为两大阶段概述：糖酵解分为两大阶段 准备阶段消耗准备阶段消耗ATP 收益阶段获得收益阶段获得ATP和和NADH 糖酵解可以严格调控糖酵解可以严格调控 (cf. courseware 12)(糖糖)酵解酵解 细胞质中通过一系列细胞质中通过一系列 酶促反应将葡萄糖最酶促反应将葡萄糖最 终降解为丙酮酸并伴终降解为丙酮酸并伴 有有ATP生成的全过程生成的全过程发酵发酵 无氧条件下无氧条件下由葡萄糖由葡萄糖 等降解而生成乳酸或等降解而生成乳酸或 乙醇乙醇(GlcPyr similar as in Glycolysis)LW-2Otto F. Meyerhof 1884-1951(192

4、2 NP in Phys./Med.)(Embden-Meyerhof-Parnas Pathway)3G19.1 两阶段十步反应两阶段十步反应 - 前五步准备前五步准备 - 后五步收益后五步收益 三种重要转化类型三种重要转化类型 - Glc碳链降解产生碳链降解产生 丙酮酸丙酮酸(6C3C) - 释能形成高能磷酸释能形成高能磷酸 化合物化合物(ADPATP) - 电子电子/:H转移转移 (NAD+NADH)1. 概述：糖酵解概述：糖酵解 可分为两大阶段可分为两大阶段414-2a The two phases of glycolysis己己糖糖阶阶段段消耗消耗2 ATPContinue for

5、2nd phase514-2b丙糖阶段丙糖阶段生成生成4 ATP &2 NADH发酵发酵还包还包括在无氧括在无氧条件下由条件下由丙酮酸继丙酮酸继续反应并续反应并最终生成最终生成乳酸乳酸/乙醇乙醇等等6Overall equation for glycolysisGlc + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2 pyruvate + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O 糖酵解的能量变化糖酵解的能量变化可分为可分为两段进程两段进程： - Glc + 2NAD+ 2 pyruvate + 2NADH + 2H+ G= -146 kJ/mol - 2ADP + 2Pi 2ATP +

6、 2H2O G= (2 x 30.5) = 61 kJ/mol Gtotal= -146 + 61 = -85 kJ/mol 在在细胞内的实际细胞内的实际ATP, ADP, Pi, Glc和和pyruvate条条件下，件下， 糖酵解糖酵解中释出的能量中释出的能量(with pyruvate as the end product) 以以ATP形式形式储存的效率储存的效率 60% Note: 大部分能量仍保存在丙酮酸中：大部分能量仍保存在丙酮酸中： - Glc完完全氧化成全氧化成CO2 & H2O： G= -2,840 kJ/mol - 经经由糖酵解转化成由糖酵解转化成两两分子丙酮酸时分子丙酮酸时

7、 (G= -146 kJ/mol) 仅释出其总能量的仅释出其总能量的 5.2%P28-3细胞内条件细胞内条件下酵解基本下酵解基本不可逆不可逆7 Glc磷酸化成磷酸化成G6P - 己己糖激酶糖激酶 - 1stATP被消被消耗：耗：不可逆不可逆 - 为为后续反应后续反应激活激活Glcp526- keeping some energy from ATPs breakdown- keeping Glc in cell- 己糖激酶己糖激酶主要分布在肝肾主要分布在肝肾 以外不能合成糖原的组织以外不能合成糖原的组织 中，中，KmGlc = 0.1 mmol， 专一性不强且为变构酶：专一性不强且为变构酶： G

8、6P为其变构抑制剂为其变构抑制剂- Glc激酶激酶(glucokinase = hexokinase IV) 主要在肝细胞，主要在肝细胞，KmGlc = 510 mmol，专一性很强，专一性很强 且不受且不受G6P抑制抑制- 通常细胞内的通常细胞内的Glc 仅为仅为 4 mmol，故只有当，故只有当血糖血糖 很高时才能由很高时才能由Glc激酶在激酶在 肝脏活化肝脏活化Glc以合成糖原以合成糖原 (G6P G1P UDP-Glc)亲核攻击亲核攻击2. 准备阶段消耗准备阶段消耗ATP (cf. p276)8G15.1 己糖激酶作用时会发生明显的构象变化己糖激酶作用时会发生明显的构象变化(诱导契合诱

9、导契合)： 与与ATP的结合引发两个结构域相互靠近的结合引发两个结构域相互靠近8，使被结合的，使被结合的ATP与与 待结合的待结合的Glc更为接近，并相应阻断更为接近，并相应阻断H2O进入活性位点水解进入活性位点水解ATP- 己糖激酶活性需要己糖激酶活性需要Mg2+： 屏蔽屏蔽ATP磷酰基的负电荷磷酰基的负电荷 而使其末端而使其末端P更容易受到更容易受到 Glc等的等的OH亲核攻击亲核攻击自学自学自学自学9 G6P异构化为异构化为F6P - 磷磷酸己糖异构酶酸己糖异构酶 = 醛醛-酮糖酮糖可逆异构可逆异构反应反应 (需要以需要以开链形式开链形式进行进行)p526 C1羰基羰基与与C2羟基羟基的

10、重排是的重排是 后两步反应进行的前提后两步反应进行的前提- 磷酸化磷酸化需要需要C1的羰基先转化的羰基先转化 成醇成醇(形成形成OH攻击攻击ATP磷酰基磷酰基)- C3C4的的断裂断裂则需要则需要C2位位 有一羰基有一羰基(利于负碳离子形成利于负碳离子形成)10吡喃葡糖开环吡喃葡糖开环C2的的H+移除促进移除促进顺顺-烯二醇中间物烯二醇中间物的形成的形成C2OH的的H+移除移除导致形成导致形成C=O双键双键呋喃果糖闭环呋喃果糖闭环G19.3 磷酸己糖异构酶反应机制磷酸己糖异构酶反应机制 (碱性残基的交替广义酸碱性残基的交替广义酸-碱催化碱催化)酶活性位点酶活性位点碱性残基碱性残基- 人的人的磷

11、酸葡糖磷酸葡糖 异构酶异构酶对对G6P 高度专一，且高度专一，且 活性需要活性需要Mg2+C1形成可攻击形成可攻击磷酰基的磷酰基的OH自学自学自学自学(cf. Fig. 10-1)11p526 F6P磷酸化成磷酸化成F-1,6-BP - 磷酸磷酸果糖激酶果糖激酶-1 (PFK-1) - 2ndATP被消被消耗：耗：不不可逆可逆 & 调调节点节点 PFK-1是变构酶，为酵解途径是变构酶，为酵解途径 调节的关键反应：调节的关键反应：细胞能荷低细胞能荷低 可激活，能荷高则抑制可激活，能荷高则抑制 - ATP抑制而抑制而AMP解除抑制解除抑制 - 柠檬酸柠檬酸和和F-2,6-BP分别为分别为 变构抑制

12、剂和激活剂变构抑制剂和激活剂1st调拨点调拨点F-1,6-BP只能只能进入酵解进入酵解亲核攻击亲核攻击12 F-1,6-BP裂解成二羟丙酮磷酸和甘油醛裂解成二羟丙酮磷酸和甘油醛-3-P - 醛缩酶醛缩酶 = 可可逆羟逆羟-醛缩合反应醛缩合反应 - C3C4断断开开p527C3C4连键裂解连键裂解尽管尽管Go意味着反应意味着反应倾向于逆行，但由于倾向于逆行，但由于磷酸丙糖在后续反应磷酸丙糖在后续反应中不断被消耗而促使中不断被消耗而促使F-1,6-BP裂解裂解(DHAP)(G3P)1314-5class I aldolase reaction(animal & plant)中中C2羰羰基与基与E-

13、Lys形形成带正电的亚成带正电的亚胺胺(C=N键键)，以稳定以稳定C3C4断裂时暂时形断裂时暂时形成的负碳离子成的负碳离子释出释出1st产物产物后形成烯胺后形成烯胺中间物中间物以以和和的的逆过程水解逆过程水解亚胺并释出亚胺并释出2nd产物产物自学自学1414-6磷酸丙糖互变异构磷酸丙糖互变异构 - 丙糖磷酸异构酶丙糖磷酸异构酶 - 只有只有G3P直直接进入酵解后续反应接进入酵解后续反应 - 有效移除有效移除G3P可确保反应平衡可确保反应平衡 有有利于正向进行利于正向进行最复杂的功能团最复杂的功能团(羰基羰基)规定为规定为C1Review for 1st phase反应机制类似于反应机制类似于磷

14、酸己糖异构酶磷酸己糖异构酶oxidizedreduced提高代谢效率提高代谢效率(cf. Fig. 10-2)15 G3P氧化生成氧化生成1,3-BPG以以:H形式移除形式移除并加载于并加载于NAD+以以H+形式游形式游离于溶液中离于溶液中- 醛基氧化产生的自由能以醛基氧化产生的自由能以酰基酰基 磷酸酯磷酸酯(Go = -49.3 kJ/mol) 的形式储存在的形式储存在C1上，可以转移上，可以转移 至至ADP生成生成ATPp529G3P氧化氧化放能放能： G= -43 kJ/mol磷酸酐键形成磷酸酐键形成吸能吸能： G= 49.3 kJ/mol - G3P脱脱氢酶氢酶(as homotetr

15、amer) - 1st步步储能反应储能反应= 醛醛脱氢成脱氢成 混合酸酐混合酸酐3. 收益阶段产生收益阶段产生ATP和和NADH (cf. p279)1614-7G3P dehydrogenase reaction硫半缩醛硫半缩醛硫酯硫酯SH对底物的亲核攻对底物的亲核攻击得到击得到His的广义酸的广义酸-碱催化促进碱催化促进必须取代必须取代NADH以避免酵解终止以避免酵解终止自学自学自学自学( :B)(cf. Fig. 10-3)磷酸解磷酸解(as OH from H2O)17- 碘乙酸碘乙酸可抑制可抑制G3P脱氢酶：与酶活性部位的脱氢酶：与酶活性部位的 Cys-SH形成共价结合的衍生物而使酶

16、失活形成共价结合的衍生物而使酶失活p536 (3rd)H11.2 (Box)- 砷砷酸酸能替代磷酸参与能替代磷酸参与 反应而生成反应而生成1-砷酸砷酸-3- 磷酸甘油酸磷酸甘油酸，后者很，后者很 不稳定而迅速水解，不稳定而迅速水解， 使使G3P的氧化与的氧化与ADP 的磷酸化解偶联的磷酸化解偶联 (潜在的致死反应潜在的致死反应)(as with heavy metal ions eg. Hg2+)18- 磷酸磷酸甘油酸激酶甘油酸激酶 (以逆反应命名以逆反应命名)= 1st步步底物水平磷酸化底物水平磷酸化底物分子的底物分子的高能磷酰基高能磷酰基直接转移直接转移到到ADP/GDP而生成而生成ATP

17、/GTP，反应仅，反应仅涉及可溶性酶和化学中间物涉及可溶性酶和化学中间物 和和为能量偶联过程为能量偶联过程 (共同中间物为共同中间物为1,3-BPG) - G3P (醛醛)氧化为氧化为3-PG (酸酸) - NAD+还原成还原成NADH - ADP磷酸化为磷酸化为ATP即：即：G3P + ADP + Pi + NAD+ 3-PG + ATP + NADH + H+ Go = -12.2 kJ/molp531 磷酰基从磷酰基从1,3-BPG转移给转移给ADP3-PG19 3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸(3-PG)转化成转化成2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸(2-PG) - 磷酸磷酸甘油酸变位酶甘油酸变位酶 =

18、 磷磷酰基在酰基在C3 & C2 之间可逆换位之间可逆换位p531单磷酸甘油单磷酸甘油(酸酸)的标准水解自由能变化的标准水解自由能变化(Go)均不足以生成核苷三磷酸均不足以生成核苷三磷酸2014-8phosphoglycerate mutase reaction(animal & yeast)- 在大多数细胞中，在大多数细胞中， 该酶该酶活性部位的活性部位的His 残基在反应前均需残基在反应前均需 先被少量先被少量2,3-BPG (引物引物)磷酸化磷酸化- 红细胞红细胞的的2,3-BPG 高达高达5 mM，可调节，可调节 Hb对对O2的亲和性的亲和性- 该酶在该酶在植物植物中无需中无需 2,3

19、-BPG中继：由中继：由 3-PG直接将磷酰基直接将磷酰基 转移到酶上，后者转移到酶上，后者 再将其转回再将其转回C2生成生成 2-PG自学自学(cf. Fig. 10-4)21 2-PG脱水变位成磷酸烯醇式丙酮酸脱水变位成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP) - 烯醇化酶烯醇化酶 - 2-PG的的脱水脱水导导致致分子内能量分子内能量重新分布重新分布 2-PG和和PEP的磷酰基水解的磷酰基水解Go具具有很大差值：有很大差值： 2-PG: -17.6 kJ/mol PEP: -61.9 kJ/mol足以在下步反应足以在下步反应中合成中合成ATPp532C2 oxidizedC3 reduced22自学自学

20、Two-step reaction catalyzed by enolaseLys345碱催化移除碱催化移除H+烯醇化中间物由烯醇化中间物由Mg2+稳定稳定Glu211酸催化促进移除酸催化促进移除OHF为烯醇化酶的强抑制剂：为烯醇化酶的强抑制剂：可在活性位点形成可在活性位点形成FPO32Mg2+复合物而使酶失活复合物而使酶失活6-2323 磷酰基从磷酰基从PEP转移给转移给ADP - 丙酮酸丙酮酸激酶激酶 = 2nd步步底底物水平磷酸化物水平磷酸化 - 丙丙酮酸先形成酮酸先形成烯醇式烯醇式，随即快速，随即快速 互变异构成更为稳定的互变异构成更为稳定的酮式酮式 - 不不可逆可逆 调节点调节点PE

21、P磷酰基转移磷酰基转移放能放能： Go = -61.9 kJ/mol ATP生成生成吸能吸能： Go = 30.5 kJ/mol非酶促异构非酶促异构G = -41.8 kJ/molp532(cf. Fig. 10-5 & 10-6)24总总输入：输入： Glc + 2ATP + 2NAD+ + 4ADP + 2Pi总总输出：输出： 2 pyruvate + 2ADP + 2NADH + 2H+ + 4ATP + 2H2O总总反应：反应： Glc + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2 pyruvate + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O- 碳骨碳骨架转化：架转化： 1

22、 Glc 2 pyruvate- 磷磷酰基转移：酰基转移：2 ADP + 2Pi 2 ATP- e转移转移：4e (as 2 :H)从从 2 G3P转移至转移至 2 NAD+净净ATP生成生成来自来自- 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 (- NADH在在有氧条件下可经由呼吸链再氧化有氧条件下可经由呼吸链再氧化)P28-17 Pasteur effect: Glc消耗率和总量在无氧条件下消耗率和总量在无氧条件下 均要明显高于有氧时的均要明显高于有氧时的(=氧对发酵作用的抑制氧对发酵作用的抑制)4. 酵解反应总平衡有酵解反应总平衡有ATP净盈利净盈利 (cf. p284)25小结：糖酵解小结：糖酵解

23、- 糖酵解是一种广泛存在于生物界的糖酵解是一种广泛存在于生物界的Glc降解途径降解途径， 可以将可以将Glc氧化成两分子丙酮酸，并将释出的能量氧化成两分子丙酮酸，并将释出的能量 储存在储存在ATP和和NADH中中- 10种酵解酶全都分布在种酵解酶全都分布在胞液中胞液中，所有中间物均为，所有中间物均为 3C/6C的磷酸盐化合物的磷酸盐化合物LW-3自学自学26- 准备阶段准备阶段要消耗要消耗 2 ATP将将 Glc转化成转化成F-1,6-BP， 随后随后C3C4连键被断裂而连键被断裂而 生成两分子磷酸丙糖生成两分子磷酸丙糖- 收益阶段收益阶段两分子两分子G3P于于C1 位氧化，释出的能量被储存位

24、氧化，释出的能量被储存 在在 2 NADH和和 2 ATP中中自学自学- 催化大而负标准自由能变化催化大而负标准自由能变化 的三种的三种激酶激酶可经由别构调节可经由别构调节 控制该途径的碳流量、保证控制该途径的碳流量、保证 适宜的适宜的ATP供应以及维持各供应以及维持各 中间代谢物浓度的稳定中间代谢物浓度的稳定2714-9 糖糖酵酵解解进进入入途途径径海藻糖海藻糖Glc (11)乳糖乳糖半乳糖半乳糖蔗糖蔗糖甘露糖甘露糖- 其他单糖其他单糖可通过若干位点可通过若干位点 进入糖酵解进入糖酵解- 寡糖寡糖/二糖二糖被水解成单糖被水解成单糖- 糖元糖元/淀粉淀粉经由磷酸解降解经由磷酸解降解肝肝脏脏糖糖

25、元元/淀粉淀粉2814-10 糖元糖元/淀粉淀粉磷酸化酶磷酸化酶催化的磷酸解反应催化的磷酸解反应 - 催化催化Pi对连接对连接 非还原端非还原端最后最后 两个两个Glc残基的残基的 ( 14)糖苷键糖苷键 进行亲核攻击进行亲核攻击- 通过通过磷酸解磷酸解将将 糖苷键中的部分糖苷键中的部分 能量保存在能量保存在G1P 的的磷酸酯键磷酸酯键中中- 磷酸化酶磷酸化酶可反复可反复 作用至接近某个作用至接近某个 ( 16)分支点分支点 而停止催化，再而停止催化，再 由由脱支酶脱支酶移除其移除其 分支分支Amylase均为均为 -糖糖苷酶苷酶(对对 -糖苷键无糖苷键无效效)，但，但 -型型为为淀粉淀粉内切

26、酶而内切酶而 -型型为淀为淀粉外切酶粉外切酶(cf. Fig. 13-3 & 13-5)(+ PLP)C1 +29Catabolic fates of pyruvate formed in glycolysis14-3 厌氧厌氧条件下的丙酮酸去路：条件下的丙酮酸去路：发酵发酵再生出继续酵解所再生出继续酵解所必需的必需的NAD+依据氧气供应条件依据氧气供应条件的不同，糖酵解中的不同，糖酵解中生成的生成的丙酮酸丙酮酸有三有三种主要代谢途径种主要代谢途径30p538a 丙酮酸是丙酮酸是乳酸发酵乳酸发酵中的最终电子受体中的最终电子受体- 剧烈运动时剧烈运动时骨骼肌骨骼肌/红细胞红细胞 生成的乳酸在运动

27、后恢复生成的乳酸在运动后恢复 期间可经由血液进入肝脏期间可经由血液进入肝脏 而转化成而转化成Glc (Cori cycle)- 虽然虽然Glc的乳酸发酵的乳酸发酵 没有没有NAD+/NADH的的 净变化净变化，但仍可在，但仍可在 不消耗不消耗O2的情况下的情况下 净得净得 2 ATP乳乳酸脱氢酶酸脱氢酶to keep glycolysis going31p538b 乙醇是酵母等微生物发酵的乙醇是酵母等微生物发酵的还原产物还原产物脊椎动物和一些能进脊椎动物和一些能进行乳酸发酵的微生物行乳酸发酵的微生物均缺乏该酶均缺乏该酶硫胺素焦磷酸硫胺素焦磷酸thiazoles C2 as a nucleoph

28、ile(非共价紧密结合，非共价紧密结合，cf. Fig. 10-10)乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶(Zn2+)- 在所有发酵反应中，在所有发酵反应中， 反应物和产物的反应物和产物的H:C 比值均保持不变比值均保持不变丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶仅获取能量而不消耗氧或改变仅获取能量而不消耗氧或改变NAD+/NADH的代谢过程的代谢过程32LW-4 糖异生糖异生 GluconeogenesisA pathway converting pyruvate and related 3C & 4C compounds to Glc 维持机体血糖稳态所必需维持机体血糖稳态所必需- 人体空腹血糖人体空腹血糖70110 m

29、g/dl (体液仅载有体液仅载有20g Glc) 正常成人消耗：正常成人消耗：160g/d 糖原储存总量糖原储存总量(肝肝+肾肾)：180200g- 某些组织器官以某些组织器官以Glc为惟一或主要能源为惟一或主要能源 红细胞红细胞(无线粒体无线粒体)、脑、肾髓质、睾丸、眼晶状体等、脑、肾髓质、睾丸、眼晶状体等 心脏输出总血量的心脏输出总血量的1/51/4进入脑，后者每天需消耗进入脑，后者每天需消耗 约约120 g Glc (75%)广义广义指以简单前体为原料合成碳水指以简单前体为原料合成碳水化合物，广泛存在于生物界；但通化合物，广泛存在于生物界；但通常常特指特指动物组织尤其是肝脏发生的动物组织

30、尤其是肝脏发生的从非己糖前体合成葡萄糖的全过程从非己糖前体合成葡萄糖的全过程- 糖异生糖异生主要发生在肝、肾主要发生在肝、肾- 激素调节激素调节 降血糖：胰岛素降血糖：胰岛素 升血糖：胰高血糖素、糖皮质激素和肾上腺素等升血糖：胰高血糖素、糖皮质激素和肾上腺素等3314-15- 无论动物还是植物，无论动物还是植物， PEPG6P均为不同均为不同 前体生物合成糖类的前体生物合成糖类的 通用途径通用途径- 只有植物和光合只有植物和光合 细菌能够将细菌能够将CO2 转化成糖类转化成糖类 用简单前体用简单前体 合成糖类合成糖类raw materials for gluconeogenesis3414-1

31、6Opposing pathways of glycolysis and gluconeogenesis in rat liver糖糖异异生生糖糖酵酵解解绕行绕行 2绕行绕行 3绕行绕行 1- 糖酵解糖酵解和和糖异生糖异生 途径中的大多数途径中的大多数 反应都基本可逆反应都基本可逆- 绕开绕开激酶激酶催化的催化的 三个能障三个能障就能使就能使 非糖物质转化成非糖物质转化成 糖类糖类(哺乳类肝、肾哺乳类肝、肾)35- 这这两步连续发生的两步连续发生的羧化羧化-脱羧脱羧 反应是丙酮酸的反应是丙酮酸的活化机制：活化机制： 草酰乙酸的脱羧可促进草酰乙酸的脱羧可促进PEP生成生成线粒体线粒体胞液胞液绕行

32、绕行 1丙酮酸羧化支路丙酮酸羧化支路- 丙酮酸丙酮酸羧化羧化为草酰乙酸为草酰乙酸(反应机制反应机制)P36-11- 草酰乙酸草酰乙酸脱羧脱羧并磷酸化成并磷酸化成PEP(苹果酸穿梭苹果酸穿梭)羧羧化化脱脱羧羧- 总总反应为：反应为： 丙丙酮酸酮酸 + ATP + GTP PEP + ADP + GDP + PiPEP羧激酶羧激酶磷酰基供体磷酰基供体生物素生物素(辅基辅基)丙丙酮酮酸酸转转运运酶酶+H+丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶(乙酰乙酰-CoA激活激活)36 EnzRole of biotin in pyruvate carboxylase reaction14-18- 辅基生物素经由酰胺键辅基生

33、物素经由酰胺键共价共价 结合于结合于羧化酶羧化酶Lys- -NH2- 在在ATP参与下，参与下，HCO3以以CO2 形式于形式于活性位点活性位点1与生物素环与生物素环 上的上的N1结合成羧基生物素结合成羧基生物素- 由由Lys侧链和生物素形成的侧链和生物素形成的 长臂将活化羧基移动到长臂将活化羧基移动到活性活性 位点位点2并释出并释出CO2，随即与，随即与 丙酮酸反应生成草酰乙酸丙酮酸反应生成草酰乙酸- 蛋清中的蛋清中的avidin对生物素有对生物素有 很高的亲和性，是含生物素很高的亲和性，是含生物素 酶的特异性抑制剂酶的特异性抑制剂自学自学磷酰基供体磷酰基供体(cf. Fig. 13-21)

34、不稳定的烯醇式不稳定的烯醇式(甲基负碳离子甲基负碳离子)37自学自学mechanism for pyruvate carboxylase(cf. Fig. 13-21)3814-19 Alternative paths from pyruvate to PEP同工酶同工酶同工酶同工酶105 lower than in mitoch. (used for 1,3-BPG G3P)- 以以丙酮酸丙酮酸为原料进行糖异为原料进行糖异 生时需要采用生时需要采用苹果酸穿梭苹果酸穿梭 方式绕行，并维持胞液中方式绕行，并维持胞液中 NADH合成与消耗之平衡合成与消耗之平衡- 以以乳酸乳酸为原料进行糖异生为原料

35、进行糖异生 时，因其在胞液中转化为时，因其在胞液中转化为 丙酮酸即可生成丙酮酸即可生成NADH， 故无需经由苹果酸中介而故无需经由苹果酸中介而 直接输出直接输出PEP- 由不同基因编码的由不同基因编码的同工酶同工酶 可催化同一反应，但其细可催化同一反应，但其细 胞内分布或代谢作用不同胞内分布或代谢作用不同 (eg. LDH)自学自学Lactate(cf. Fig. 13-22)39绕行绕行2和和3均为磷酯键水解均为磷酯键水解14-16aG6P酶酶Go = -13.8 kJ/mol- 脑脑/肌细胞肌细胞无该酶！无该酶！F-1,6-BP酶酶Go = -16.3 kJ/mol40 Cori cycl

36、e (cf. Fig. 13-23)G23.10生理意义：生理意义：- 利用乳酸分子利用乳酸分子 的能量以避免的能量以避免 其损失其损失- 及时将乳酸转及时将乳酸转 化以防止其在化以防止其在 组织中堆积而组织中堆积而 引发酸中毒引发酸中毒以以乳酸乳酸形式将酵解产生的形式将酵解产生的丙酮酸丙酮酸和和还原当量还原当量从肌肉从肌肉转移到肝脏以进行糖异生转移到肝脏以进行糖异生Carl F. Cori 1896-1984Gerty T. Cori 1896-19571947 NP inPhys./Med.41 糖异生是必需的耗能反应糖异生是必需的耗能反应如此高的能量投入显然意味着如此高的能量投入显然意味

37、着糖糖异生异生并非并非糖酵解糖酵解的简单逆转的简单逆转T14-3自学自学42G28.2Substrate cycles are usually prevented by reciprocal regulatory controls. Reciprocal regulation of gluconeogenesis & glycolysis绕行绕行 2糖酵解糖酵解糖异生糖异生自学自学(cf. Fig. 13-24)43- What was the rationale for comparing the activities of these two enzymes?- The data show

38、 the activities of both enzymes for a variety of bumblebee species. Do these results support the notion that bumblebees use futile cycles to generate heat?- In which species might futile cycling take place? Why?- Do these results prove that futile cycling does not participate in heat generation?44LW

39、-5小结：糖异生小结：糖异生糖异生为糖异生为普遍存在于生物界的多反应途径，可以将丙普遍存在于生物界的多反应途径，可以将丙酮酸或相应的酮酸或相应的3C化合物如乳酸和化合物如乳酸和Ala等转化成等转化成Glc，糖糖酵解的酵解的三步不可逆反应三步不可逆反应需由相应的特殊酶催化需由相应的特殊酶催化绕行绕行以以丙酮酸丙酮酸为前体合成为前体合成Glc需消耗需消耗4ATP、2GTP和和2NADH肝、肾肝、肾进行的糖异生为大脑、肌肉和红细胞等提供血糖进行的糖异生为大脑、肌肉和红细胞等提供血糖丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶能被乙酰能被乙酰-CoA激活，因而在细胞有充足激活，因而在细胞有充足的其他产能底物如的其他产能底

40、物如FA供应时可加速糖异生的进行供应时可加速糖异生的进行糖酵解和糖异生可经由糖酵解和糖异生可经由反向调节反向调节以避免同时高速运行以避免同时高速运行 45 葡萄糖氧化的戊糖磷酸途径葡萄糖氧化的戊糖磷酸途径 (pentose phosphate pathway)PPP途径途径 (or HMP/HMS)场所：胞液场所：胞液氧化特征：辅酶氧化特征：辅酶NADP+重要产物：重要产物： - NADPH 不进入呼吸链不进入呼吸链 产能，良好的还原剂产能，良好的还原剂 - R5P 参与核苷酸合成参与核苷酸合成LW-6- 组织匀浆中加入碘乙酸组织匀浆中加入碘乙酸/ 氟化钠后仍有氟化钠后仍有Glc消耗消耗- 1

41、4C标记发现标记发现Glc的的C1 比比C6更容易被氧化更容易被氧化(1015%Glucose)4614-20 PPP途径可分为两大阶段途径可分为两大阶段- 氧化阶段氧化阶段G6P + 2 NADP+ + H2O R5P + 2 NADPH + 2H+ + CO2- 非氧化阶段非氧化阶段3 R5P 2 F6P + G3P- 生成的生成的NADPH可用于可用于 还原还原谷胱甘肽谷胱甘肽及参与及参与 还原性生物合成还原性生物合成- R5P为核苷酸和重为核苷酸和重 要辅酶的构建组分要辅酶的构建组分- 核酸合成需求减少核酸合成需求减少 时可经由该阶段再时可经由该阶段再 生生G6P以循环利用以循环利用4

42、71. G6P脱氢脱氢 - G6P脱脱氢酶氢酶(G6PD) - C1氧化氧化 - NADP+ = e受受体体 - 产产物物 = 6-P-葡糖酸葡糖酸- -内酯内酯 (C1-C5的分的分子内酯子内酯) - 可可被被NADPH别构别构抑制抑制2. 内内酯水解酯水解 - 内酯内酯酶酶 - 产产物物 = 6-P-葡糖酸葡糖酸(游离酸游离酸)P29-11Pentose phosphate pathway(oxidative stage)限速且限速且不可逆不可逆483. 6-P-葡葡糖酸的脱氢及脱羧糖酸的脱氢及脱羧 - 6-P-葡葡糖酸脱氢酶糖酸脱氢酶 先脱氢成先脱氢成3-keto-6-P葡糖酸葡糖酸 (

43、NADP+ = e受体受体) C1的的COO随即被移除随即被移除 - 产产物物 = D-核酮糖核酮糖-5-P 4. 核酮糖核酮糖-5-P异构化异构化 - 磷酸磷酸戊糖异构酶戊糖异构酶 - 产产物物 = D-核糖核糖-5-P (R5P) (酮酮戊糖戊糖转化转化为为醛戊糖醛戊糖)- PPP途径途径可以就此结束，但在可以就此结束，但在 急需急需NADPH而而不是不是R5P时时， 后者即可经由一系列后者即可经由一系列碳架重排碳架重排 反应再生成反应再生成G6P以以循环利用循环利用P29-12Pentose phosphate pathway(oxidative stage)C3脱氢脱氢引入羰基引入羰基

44、4914-22aPentose phosphate pathway(nonoxidative stage)木酮糖木酮糖赤藓糖赤藓糖转酮酶转酮酶转醛酶转醛酶- 转酮酶转酮酶 2C unit 转醛酶转醛酶 3C unit 供体供体 ketose 受体受体 aldoseG3PG6PR5P异构酶异构酶差差向向异异构构酶酶C3景天庚酮糖景天庚酮糖F6P核酮糖核酮糖-5-Pglycolysis, etcoxidative stage(cf. p298)5014-22b- 从从6个个戊糖戊糖(5C)转化成转化成 5个个己糖己糖(6C)- 每步反应均可逆每步反应均可逆 (as in photosynthesi

45、s)生理意义：生理意义：通过一系列分子重排和通过一系列分子重排和基团转移反应将氧化阶基团转移反应将氧化阶段生成的多余核糖经由段生成的多余核糖经由 F6P和和G3P等再生等再生G6P以避免核糖堆积以避免核糖堆积Pentose phosphate pathway(nonoxidative stage)51 G6P可在糖酵解和戊糖磷酸途径之间分流可在糖酵解和戊糖磷酸途径之间分流14-27G6P主要进入哪条途主要进入哪条途径要取决于细胞当时径要取决于细胞当时的需求以及胞液中的的需求以及胞液中的NADP+/NDAPH 抑制抑制G6PD- 还原性合成反应加速时还原性合成反应加速时 NADP+升高，激活升高

46、，激活 G6PD、使、使G6P主要主要 进入进入PPP途径途径- NADPH富余时将抑制富余时将抑制 G6PD，使，使G6P主要主要 进入糖酵解途径进入糖酵解途径 (for ATP & C-skeleton)(cf. p300)52反应速率受反应速率受NADPH的别构抑制的别构抑制，调节酶是，调节酶是G6PD,转转酮酶和转醛酶反应均可逆，因而不需要酮酶和转醛酶反应均可逆，因而不需要R5P时可将时可将其转化为酵解中间物，需要时则可由后者再生其转化为酵解中间物，需要时则可由后者再生LW-7小结：戊糖磷酸途径小结：戊糖磷酸途径主要产物为主要产物为R5P和和NADPH，前者是核苷酸等重要，前者是核苷酸

47、等重要生物分子的构建组分；后者可为多种生物同化反应生物分子的构建组分；后者可为多种生物同化反应如如FA合成提供还原力，故该途径在脂肪、乳腺和肾合成提供还原力，故该途径在脂肪、乳腺和肾上腺皮质等组织和生长中的细胞非常活跃上腺皮质等组织和生长中的细胞非常活跃主要反应分为两个阶段：主要反应分为两个阶段：氧化阶段氧化阶段G6P氧化脱羧转化为氧化脱羧转化为R5P并产生并产生 2 NADPH非氧化阶段非氧化阶段6 R5P经由分子重排和基团转移经由分子重排和基团转移 再生出再生出5 G6P53复习题复习题 (p120127)一、选择一、选择 1, 3, 5, 9, 12, 14, 15, 18, 19, 2

48、224, 37, 39, 45, 50, 53, 54二、名词解释二、名词解释 14, 610, 19, 21, 22, 26三、判断三、判断 13, 7, 1115, 1921, 24, 25, 27, 29, 30, 36四、问答四、问答 1, 4, 5, 911, 14, 17, 20, 24, 26, 30541. 若以若以14C标记葡萄糖的标记葡萄糖的C-3作为酵母的底物，经发酵作为酵母的底物，经发酵 产生产生CO2和乙醇，试问和乙醇，试问14C将在何处发现？将在何处发现？2. 试总结磷酸基团在糖酵解过程中参与了哪些反应？试总结磷酸基团在糖酵解过程中参与了哪些反应？ 这些反应分别有何

49、意义？这些反应分别有何意义？3. 为什么说砷酸是糖酵解作用的毒物？氟化物和为什么说砷酸是糖酵解作用的毒物？氟化物和 碘乙酸对糖酵解过程有何作用？碘乙酸对糖酵解过程有何作用？4. 试计算从丙酮酸合成葡萄糖需要提供多少个高能试计算从丙酮酸合成葡萄糖需要提供多少个高能 磷酸键？磷酸键？(需要给出具体反应需要给出具体反应)5. 在以下两种条件下，试分析在以下两种条件下，试分析Glc-6-P经由戊糖磷酸经由戊糖磷酸 途径的运作方式：途径的运作方式： (a) 同时需要同时需要NADPH和和R-5-P (b) NADPH的需求量远高于的需求量远高于R-5-P作作 业业55法国微生物学及化学家，近代微生物学奠

50、基人；法国微生物学及化学家，近代微生物学奠基人；毕生进行了多项探索性研究并均取得重大成果，是毕生进行了多项探索性研究并均取得重大成果，是19世纪最有成就的科学家之一世纪最有成就的科学家之一先后证明了三大科学问题：先后证明了三大科学问题： 每种发酵作用都是由于某种微菌的发展所致，每种发酵作用都是由于某种微菌的发展所致， 而适当加热即可杀灭这些恼人的微生物，是为而适当加热即可杀灭这些恼人的微生物，是为 巴斯德杀菌巴斯德杀菌/消毒法消毒法 每种传染病均由某种微菌在生物体内的发展而每种传染病均由某种微菌在生物体内的发展而 引发，进而因发现和根除了一种侵害蚕卵的细引发，进而因发现和根除了一种侵害蚕卵的细

51、 菌而拯救了法国的丝绸工业菌而拯救了法国的丝绸工业 传染病的微菌在特殊培养条件下可减轻毒力，传染病的微菌在特殊培养条件下可减轻毒力， 使之转变成可以防病的使之转变成可以防病的疫苗疫苗，并由此而建立起，并由此而建立起 传染病的细菌理论传染病的细菌理论PasteurLouis Pasteur(1822-1895)自学自学56 研究酵母发酵时研究酵母发酵时Pasteur发现：在供氧充足的条件下，细胞发现：在供氧充足的条件下，细胞内糖酵解作用受到抑制，葡萄糖消耗和乳酸生成减少。这种有氧内糖酵解作用受到抑制，葡萄糖消耗和乳酸生成减少。这种有氧氧化对糖酵解的抑制作用即称为氧化对糖酵解的抑制作用即称为巴斯德

52、效应巴斯德效应(Pasteur effect)。 产生巴斯德效应主要是由于在供氧充足的条件下，细胞内的产生巴斯德效应主要是由于在供氧充足的条件下，细胞内的ATP/ADP比值升高，抑制了比值升高，抑制了PK和和PFK，使，使F6P和和G6P含量增加，含量增加，后者反馈抑制已糖激酶后者反馈抑制已糖激酶HK，使葡萄糖利用减少，呈现有氧氧化，使葡萄糖利用减少，呈现有氧氧化对糖酵解的抑制作用。对糖酵解的抑制作用。 Crabtree/反巴斯德效应反巴斯德效应与之相反：在癌细胞发现给予葡萄与之相反：在癌细胞发现给予葡萄糖时不论供氧充足与否都呈现很强的酵解反应，而糖的有氧氧化糖时不论供氧充足与否都呈现很强的酵

53、解反应，而糖的有氧氧化受抑制。该现象较普遍地存在于癌细胞中，此外也存在于一些正受抑制。该现象较普遍地存在于癌细胞中，此外也存在于一些正常组织细胞如视网膜、睾丸、颗粒白细胞等。常组织细胞如视网膜、睾丸、颗粒白细胞等。 一般认为，具有一般认为，具有Crabtree效应的细胞，其酵解酶系效应的细胞，其酵解酶系(如如PK、PFK、HK)活性强，而线粒体内氧化酶系如细胞色素氧化酶活性活性强，而线粒体内氧化酶系如细胞色素氧化酶活性则较低，在争夺则较低，在争夺ADP、Pi及及NADH + H+方面其线粒体必然处于劣方面其线粒体必然处于劣势，因而缺乏进行氧化磷酸化的底物。因此，即使在供氧充足时，势，因而缺乏进

54、行氧化磷酸化的底物。因此，即使在供氧充足时，其有氧氧化生成其有氧氧化生成ATP的能力仍低于正常细胞的，故呈现的能力仍低于正常细胞的，故呈现Crabtree效应。效应。自学自学57(A) 2D topological structure plot of GMAG. (B) 3D structure of GMAG. (C) Important interactions between ATP and GK. (D) Important interactions between glucose and GK. ATP, Mg2+, glucose and important residues in

55、 GK are displayed in stick and labeled. Black dashed lines represent hydrogen bonds or salt bridges.58A close view of the configuration of glucose phosphorylation in the environment of GK active site. 59Reaction mechanism of glucose phosphorylation catalyzed by the wild-type GK. 60Reaction mechanism of glucose phosphorylation catalyzed by the GKK169A mutant. 61