糖酵解和己糖的分解

1、Chapter 3 Glycolysis and catabolism of hexoses 糖酵解和己糖的分解代謝（糖代謝Ⅰ）,3.1 糖代謝概述3.2 糖的消化、吸收和運(yùn)輸3.3 糖酵解途徑和已糖的分解代謝3.4 戊糖磷酸途徑,3.1 糖代謝概述 糖的生理功能糖最主要的生理功能是提供能量。葡萄糖完全氧化為CO2和H2O，標(biāo)準(zhǔn)自由能為 －2840KJ/mol（相當(dāng)于679kcal/m

2、ol）。糖是機(jī)體重要的碳源，糖代謝的中間產(chǎn)物（作為前體，precursor）可轉(zhuǎn)變成其他的含碳化合物，如氨基酸、脂肪酸、核苷等。,糖是組成生物體組織結(jié)構(gòu)的重要成分之一。例如，蛋白聚糖和糖蛋白構(gòu)成結(jié)締組織、軟骨和骨的基質(zhì)；糖蛋白和糖脂是細(xì)胞膜的構(gòu)成成分。糖還有其他的一些特殊功能：體內(nèi)有一些具有特殊生理功能的糖蛋白；糖的磷酸衍生物可以形成許多重要的生物活性物質(zhì)，如NAD+、FAD、 ATP等。,血糖,,高等動(dòng)物糖代謝概況,食物糖,,消

3、 化,葡萄糖,,,吸收,,肝臟,葡萄糖,肝糖原,合成,分解,,,乳酸,,,糖異生,血液,,肌糖原,葡萄糖,,合成,,,,,有氧氧化,CO2+H2O+ATP,糖酵解,乳酸+ATP,,,血乳酸,,,肌肉,,,,,轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌镔|(zhì),,(大量),(少量),,戊糖磷酸途徑糖醛酸途徑等,3.2 糖的消化、吸收和運(yùn)輸,淀粉的消化,α-amylase,α-glucosidase,α-dextrinase,二糖的消化,葡聚糖,葡糖糖,,麥芽糖,乳糖,

4、果糖,蔗糖,海藻糖,乳糖不耐受綜合癥（Lactose intolerance syndrome） 有些成年人由于乳糖酶（Lactase deficiency）缺乏，在食用牛奶后乳糖不能在小腸內(nèi)完全消化吸收，進(jìn)入大腸后由細(xì)菌轉(zhuǎn)化為有害物質(zhì)，引起腹脹、腹瀉等癥狀。,糖的吸收 糖的吸收是以單糖形式通過(guò)腸壁細(xì)胞吸收進(jìn)入血液的過(guò)程，吸收的部位是小腸上段。糖的運(yùn)輸 小腸內(nèi)主要是Na+ －單糖協(xié)同運(yùn)輸。由小腸

5、上皮細(xì)胞進(jìn)入進(jìn)入血液通過(guò)促進(jìn)擴(kuò)散。（見(jiàn)物質(zhì)運(yùn)輸）,,,Glucose transport in intestinal epithelial cells,3.3 糖酵解和已糖的分解代謝 （Glycolysis and Catabolism of Hexoses) Glycolysis, from the Greek glykys meaning “sweet”, and lysis meaning “splitt

6、ing”. 糖酵解途徑 —最早被闡明的代謝途徑,The Development of Biochemistry and the Delineation of Glycolysis Went Hand by Hand,1897, Hans Buchner and Eduard Buchner (Germany), accidental observation : sucrose

7、(as a preservative) was rapidly fermented into alcohol by cell-free yeast extract.The accepted view that fermentation is inextricably tied to living cells (i.e., the vitalistic dogma) was shaken and Biochemistry was bor

8、n: Metabolism became chemistry!,1900s, Arthur Harden and William Young Pi is needed for yeast juice to ferment glucose, a hexose diphosphate (fructose 1,6-bisphosphate) was isolated.1900s, Arthur Harden and William You

9、ng (Great Britain) separated the yeast juice into two fractions: one heat-labile, nondialyzable zymase (enzymes) and the other heat-stable, dialyzable cozymase (metal ions, ATP, ADP, NAD+).,,1910s-1930s, Gustav Embden an

10、d Otto Meyerhof (Germany), studied muscle and its extracts:Reconstructed all the transformation steps from glycogen to lactic acid in vitro; revealed that many reactions of lactic acid (muscle) and alcohol (yeast) ferm

11、entations were the same! Discovered that lactic acid is reconverted to carbohydrate in the presence of O2 (gluconeogenesis); observed that some phosphorylated compounds are energy-rich. (Glycolysis was also known as Em

12、bden-Meyerhof pathway , EMP).,,The whole pathway of glycolysis (Glucose to pyruvate) was elucidated by the 1940s.,3.3.1 糖酵解途徑糖酵解：葡萄糖分解為丙酮酸并伴隨著生成ATP的過(guò)程。存在于所有生物。在真核細(xì)胞中，其反應(yīng)部位在胞液中。,Glucose,2 Pyruvate,,2ATP,,糖酵解概況,,,prep

13、aratory phase,payoff phase,Releases energy,,三磷酸甘油醛,1.3二磷酸甘油酸的異構(gòu)脂,3磷酸甘油酸脂,丙酮酸的去向（fate of pyruvate）,,,,糖酵解反應(yīng)過(guò)程,,,,,,,糖酵解反應(yīng)過(guò)程,,,,,,磷酸化作用,,己糖激酶,Group transfer Irreversible in cells,已糖激酶（hexokinase）的作用機(jī)制： ATP以Mg2+－ATP復(fù)合物參與反

14、應(yīng)。 Substrate-induced cleft closing is a general feature of most kinase. ( is also a striking example of the role of induced fit in enzyme action.),酶誘導(dǎo)裂解,Glucose,Hexokinase,誘導(dǎo)契合（induced fit）,,己糖激酶存在于所有細(xì)胞，通?？梢粤姿峄咸烟牵部梢粤姿?/p>

15、化果糖、甘露糖等。 己糖激酶是一種調(diào)節(jié)酶，ADP和反應(yīng)產(chǎn)物葡萄糖-6-磷酸是該酶的變構(gòu)抑制劑。 另一種己糖激酶同工酶—葡萄糖激酶（glucokinase, or hexokinase D）是肝細(xì)胞所特有的。兩者的酶動(dòng)力學(xué)和調(diào)節(jié)特性不同。葡萄糖激酶對(duì)葡萄糖有特異活性，對(duì)于肝臟調(diào)節(jié)血糖具有重要意義。（糖酵解調(diào)節(jié)部分）,,An aldose,An ketose,isomerization reversible,磷酸己糖異構(gòu)酶,

16、醛糖,酮糖,,Group transfer Irreversible,磷酸果糖激酶－1 PFK-1,這步反應(yīng)是酵解中的關(guān)鍵步驟（committed step）， PFK-1因此也稱之為限速酶。PFK-1是最復(fù)雜的一種調(diào)節(jié)酶。（見(jiàn)3.3.4）,,aldol cleavage reversible,醛縮酶,,aldose,ketose,DHAP,GAP,isomerization reversible,,磷酸丙糖異構(gòu)酶(

17、TIM),葡萄糖C原子順序變化,,redox and phosphorylation reversible,,high energy,3-磷酸甘油醛脫氫酶,Proposed mechanism of glyceraldehyde 3-P dehydrogenase,Proposed mechanism of glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase: The reaction proceeds

18、 through a thioester intermediate, which allows the oxidation of glyceraldehyde to be coupled to the phosphorylation of 3-phosphoglycerate.,Iodoacetate（碘乙酸） as an inhibitor of glyceraldehyde 3-P dehydrogenase,,Group tra

19、nsfer reversible,The first substrate-level phosphorylation step!,磷酸甘油酸激酶,isomerization reversible,磷酸甘油酸變位酶,,Proposed mechanism of phosphoglycerate mutase,,dehydration reversible,烯醇化酶,? G 0’ ＝–61.9 kJ/mol,? G 0’ ＝–17.6

20、 kJ/mol,,high energy,,low energy,Group transfer irreversible,,丙酮酸激酶,The second substrate-level phosphorylation step!,糖酵解小結(jié),,,preparatory phase,payoff phase,,,,,,,,,hexokinase,phospho-fructokinase-1,pyruvate kinase,2X,,,

21、,糖酵解小結(jié)：反應(yīng)可分為兩個(gè)階段，凈獲能量2ATP和2NADH。共10步反應(yīng)，其中3步為不可逆反應(yīng)，同時(shí)也是代謝途徑的三個(gè)調(diào)控點(diǎn)。所有中間物都以磷酸化合物形式實(shí)現(xiàn)。 Q: 意義是什么？ 捕獲底物; 酶的信號(hào)作用; 能量?jī)?chǔ)存等。,丙酮酸繼續(xù)反應(yīng)的目的:維持氧化還原的平衡(redox balance)。,3.3.2 發(fā)酵（fermentation）,3.3.2.1 乳酸發(fā)酵（lactate fermenta

22、tion） 在一些微生物和高等生物中，無(wú)氧條件下，丙酮酸在乳酸脫氫酶的催化下還原為乳酸。,Lactate fermentation,乳酸脫氫酶 LDH,高等動(dòng)物糖酵解－乳酸發(fā)酵途徑的生理意義：缺氧條件下迅速為生命活動(dòng)提供能量的途徑，尤其對(duì)肌肉收縮更為重要。是機(jī)體某些組織獲能或主要獲能的方式，如視網(wǎng)膜、神經(jīng)、癌組織等。成熟紅細(xì)胞幾乎完全依賴糖酵解供應(yīng)能量。乳酸的利用：可通過(guò)乳酸循環(huán)（Cori cycle）在肝臟

23、經(jīng)糖異生途徑轉(zhuǎn)化為糖。（見(jiàn)糖異生）,How to make cheese or yogurt?,同工酶（Isozymes） —催化同一反應(yīng)的不同蛋白質(zhì)（酶） 同工酶具有相似的氨基酸序列，可存在于同一組織，甚至同一細(xì)胞，但它們?cè)诿竸?dòng)力學(xué)、調(diào)控活性、輔助因子、細(xì)胞分布等方面可能會(huì)有所差異。,乳酸脫氫酶 （lactate dehydrogenase, LDH） LDH是

24、由兩種肽鏈A和B按不同比例組成的四聚體。五種同工酶（A4，A3B，A2B2，AB3，B4）分別存在于不同的組織，如A4存在于骨骼肌細(xì)胞中， B4存在于心肌細(xì)胞中。五種同工酶的酶活性有差異，如A4易于與丙酮酸結(jié)合，把丙酮酸還原為乳酸，而B(niǎo)4易于把乳酸氧化為丙酮酸。,同工酶在代謝調(diào)節(jié)中的調(diào)節(jié)方式：在不同的組織器官表現(xiàn)不同的代謝作用。在同一細(xì)胞不同位置代謝作用不同。在不同的發(fā)育階段或不同的生理狀態(tài)，由不同的同工酶起作用。不同的同工酶對(duì)

25、變構(gòu)調(diào)節(jié)劑的調(diào)節(jié)反應(yīng)不同。,3.3.2.2 乙醇發(fā)酵（ethanol fermentation） 一些酵母和其它微生物在無(wú)氧條件下，丙酮酸先后經(jīng)丙酮酸脫羧酶和乙醇脫氫酶的催化作用，脫羧還原為乙醇。（脊椎動(dòng)物缺乏丙酮酸脫羧酶）,Present only in those alcohol fermentativeorganisms,Present in many organisms including hum

26、an,,,丙酮酸脫羧酶,乙醇脫氫酶,,Thiamine pyrophosphate (TPP，焦磷酸硫胺素) contains a reactive thiazole ring（噻唑環(huán)） where a carbanion（碳負(fù)離子） can be formed.,,,Dissociable proton,Reactive carbon atom,丙酮酸脫羧酶的脫羧機(jī)制,羥乙基TPP,丙酮酸脫氫酶 α-酮戊二酸脫氫酶,Pento

27、se phosphate pathway,TPP是活化?；妮d體, 易于把?；D(zhuǎn)移給其他分子。,丙酮酸脫羧酶,轉(zhuǎn)酮酶,乙酰乳酸合成酶,How to make beer?,珠江啤酒發(fā)酵罐群,Confusing phrases:Glycolysis 酵解Fermentation 發(fā)酵,3.3.3 其它單糖進(jìn)入酵解的途徑 （Feeder pathways for glycolysis） 其他單糖可通過(guò)轉(zhuǎn)化為糖

28、酵解中間物進(jìn)入糖酵解途徑。,,Galactosemia半乳糖血癥,,,3.3.4 糖酵解途徑的調(diào)節(jié),磷酸果糖激酶-1（phosphofructokinase-1, PFK-1） —糖酵解途徑最重要的調(diào)控點(diǎn),F-2,6-BP，是1980年發(fā)現(xiàn)的PFK-1最強(qiáng)的變構(gòu)激活劑。 F-2,6-BP通過(guò)增加PFK-1與F-6-P的親和力以及減少ATP的抑制作用來(lái)激活PFK-1的。 F-2,6-BP的水平受到PFK-2和 FBPase

29、-2的調(diào)節(jié)。PFK-2和 FBPase-2是位于同一條肽鏈上，屬雙功能酶，它們的活性受胰高血糖素通過(guò)磷酸化調(diào)節(jié)。,Regulation of the level of F-2,6-BP,Domain structure of the bifunctional enzyme phospho-fructokinase 2,丙酮酸激酶（pyruvate kinase）,變構(gòu)抑制劑：ATP、丙氨酸（肝）變構(gòu)激活劑：果糖-1,6-雙磷酸,己糖激

30、酶、葡萄糖激酶 （hexokinase, glucokinase）,己糖激酶 變構(gòu)抑制劑：葡萄糖-6-磷酸 萄萄糖激酶（肝特異） 葡萄糖激酶對(duì)葡萄糖的親和力比已糖激酶低100倍，不受葡萄糖-6-磷酸的影響。它的作用是，當(dāng)血糖水平高時(shí)，迅速進(jìn)入肝細(xì)胞的葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖-6-磷酸用于糖原合成，以維持血糖水平穩(wěn)定。它的變構(gòu)抑制劑：長(zhǎng)鏈脂酰CoA。,3.3.5 癌癥與糖酵解 （Cancer and glyco

31、lysis）Q:腫瘤組織糖酵解速度比正常組織快還是慢?為什么?,A: 腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)速度快，超過(guò)血管的生成，使腫瘤細(xì)胞處于缺氧狀態(tài)，葡萄糖通過(guò)糖酵解途徑供應(yīng)能量，因而，葡萄糖的消耗和酵解速度比正常組織大大增加?？梢哉f(shuō)，腫瘤細(xì)胞酵解速度的加快是對(duì)缺氧環(huán)境的一種適應(yīng)。,VEGF,3.3.6 糖酵解與進(jìn)化 （Glycolysis and evolution） 糖酵解途徑被認(rèn)為是生物最古老最原始獲取

32、能量的一種方式。在進(jìn)化過(guò)程中，大多數(shù)較高等生物，雖然進(jìn)化為利用有氧條件進(jìn)行生物氧化獲取大量的自由能，但仍保留了這種原始方式。糖酵解的十步反應(yīng)，不但成為生物體共同經(jīng)歷的葡萄糖的分解代謝前期途徑，以及供氧不足時(shí)的供能途徑，而且在哺乳動(dòng)物一些組織細(xì)胞中，葡萄糖酵解途徑是唯一的供能途徑。,3.4 戊糖磷酸途徑 （Pentose phosohate pathway）,概念 以葡萄糖-6-磷酸開(kāi)始，在葡萄糖-6-磷酸脫氫酶催化下形成

33、6-磷酸葡萄糖酸，進(jìn)而代謝生成磷酸戊糖作為中間代謝產(chǎn)物，故將此過(guò)程稱為戊糖磷酸途徑。生理意義 產(chǎn)生NADPH和核糖-5-磷酸。也是植物光合作用從CO2合成葡萄糖的部分途徑。,NADPH的主要功能,作為供氫體參與體內(nèi)多種生物合成反應(yīng)是谷胱甘肽還原酶的輔酶參加肝臟生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)參與體內(nèi)嗜中性粒細(xì)胞及巨噬細(xì)胞在吞噬細(xì)菌后產(chǎn)生超氧陰離子的反應(yīng)，有殺菌作用。,主要反應(yīng)部位 肝臟、脂肪組織、泌乳期乳腺、腎上腺皮質(zhì)、骨髓、紅細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)

34、胞等。反應(yīng)過(guò)程可分為氧化階段和非氧化兩個(gè)階段。氧化階段的意義是產(chǎn)生NADPH和核糖-5-磷酸。非氧化階段的意義是從5C糖再生6C糖，把戊糖磷酸途徑和糖酵解途徑連接起來(lái)，使產(chǎn)物可根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。,磷酸戊糖途徑的氧化反應(yīng),磷酸戊糖途徑的非氧化反應(yīng),差向酶,轉(zhuǎn)酮酶,轉(zhuǎn)醛酶,核糖-5-磷酸,木酮糖-5-磷酸,甘油醛-3-磷酸,景天酮糖-7-磷酸,赤蘚糖-4-磷酸,果糖-6-磷酸,木酮糖-5-磷酸,Regeneration of 6-C Gl

35、ucose 6-P from 5-C Ribose 5-P,磷酸戊糖途徑的調(diào)節(jié) 氧化階段：葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PD）是限速酶。NAPDH反饋抑制酶的活性。 非氧化階段：受控于底物濃度。,葡萄糖-6-磷酸脫氫酶缺乏癥（Glucose 6-Phosphate Dehydrogenase Deficiency）簡(jiǎn)稱G6PD缺乏癥，又稱蠶豆病。是一種遺傳病。癥狀：紅細(xì)胞在一些因素的誘發(fā)下溶解，血紅蛋白釋放到血液中，

36、引起黃疸和腎功能障礙。誘發(fā)因素包括：進(jìn)食蠶豆、抗瘧疾藥物、磺胺類抗生素以及接觸一些除草劑。發(fā)病機(jī)制,NADPH和谷胱甘肽的抗氧化機(jī)制,G6PD缺乏癥在一定條件下具有進(jìn)化優(yōu)勢(shì)-- G6PD缺乏癥患者對(duì)瘧疾的抵抗力比正常人強(qiáng)一些。 A scientist has this comment, Nature maybe cruel and calculating, but it is not illogical!,本章代謝途徑：1.

37、 Glycolysis ( lactate fermentation, ethanol fermentation )2. Pentose phosphate pathway,小 結(jié) 糖酵解途徑可分為兩個(gè)階段，共10步反應(yīng)， 其中3步為不可逆反應(yīng)，同時(shí)也是代謝途徑的三個(gè)調(diào)控點(diǎn)。凈獲2ATP和2NADH。糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸在無(wú)氧條件下可還原為乳酸或乙醇，以維持氧還平衡。其他單糖可通過(guò)轉(zhuǎn)化為糖酵解中間物進(jìn)入糖酵解途徑。,小

38、 結(jié) 對(duì)于糖酵解途徑的調(diào)節(jié)，PFK-1主要是變構(gòu)調(diào)節(jié)，己糖激酶主要由產(chǎn)物調(diào)節(jié)，丙酮酸激酶主要受ATP抑制。 磷酸戊糖途徑以葡萄糖-6-磷酸開(kāi)始，進(jìn)而代謝生成磷酸戊糖作為中間代謝產(chǎn)物。其重要的生理意義是產(chǎn)生NADPH和核糖-5-磷酸。,復(fù)習(xí)掌握糖酵解途徑關(guān)鍵反應(yīng)步驟及其酶的調(diào)節(jié)特性、能量的消耗與形成。掌握甘油醛-3-磷酸脫氫酶、磷酸甘油酸變位酶、丙酮酸脫羧酶的反應(yīng)機(jī)制。3. 脊椎動(dòng)物中，糖酵解-乳酸發(fā)酵的生理意義是什