复旦生物化学代谢部分课件-糖代谢3

糖的有氧氧化(AerobicOxidation)•葡萄糖或糖原在有氧条件下通过与糖酵解相同的途径分解为丙酮酸，进而彻底氧化成二氧化碳和水，并产生大量ATP的过程。•反应部位胞液和线粒体•生理意义1.一般状况下人体大多数组织获能的主要方式，1Glc38ATP；2.是三大类能量物质共同的分解代谢途径；3.糖有氧氧化的三羧酸循环不仅仅是糖、脂肪和氨基酸在体内氧化功能的共同通路，也是它们的互变枢扭。糖原或葡萄糖丙酮酸丙酮酸乙酰CoA三羧酸循环CO2+H2O+ATP有氧氧化(胞液)(线粒体)乳酸糖酵解糖的有氧氧化概况三羧酸循环[TricarboxylicAcidCycle-TCA循环]有氧条件下大多数生物共有的物质分解代谢途径。Thunberg(1920),H.Krebs(1932),AlbertSzent-Györgyi(1935)发现代谢现象，CarlMartins(1937)和FrankKnoop阐明了从柠檬酸到琥珀酸的氧化途径。Krebs(1937)证实了代谢过程，并提出环状氧化途径概念。后来发现这一途径在动物、植物和微生物中普遍存在，不仅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。Krebs(1953)获得了诺贝尔奖，并被称为ATP循环之父，这一途径又被称为Krebs循环或柠檬酸循环。HansKrebs创立了“TCA循环”学说•1937年，HansKrebs利用鸽子胸肌的组织悬液，测定了在不同的有机酸作用下，丙酮酸氧化过程中的耗氧率，•首次提出在动物组织中丙酮酸氧化途径的假说。•肌肉组织中某些4碳二羧酸（琥珀酸、延胡索酸、苹果酸和草酰乙酸）能刺激氧的消耗。•丙二酸对丙酮酸有氧氧化的抑制作用。•循环中酶的研究证实并阐明了该循环的细节。HansAdolfKrebs（1990-1981,Germany).Krebs'researchesmainlyconcernedwithvariousaspectsofintermediarymetabolism.Amongthesubjectshehasstudiedarethesynthesisofureainthemammalianliver,thesynthesisofuricacidandpurinebasesinbirds,theintermediarystagesoftheoxidationoffoodstuffs,themechanismoftheactivetransportofelectrolytesandtherelationsbetweencellrespirationandthegenerationofadenosinepolyphosphates.文章被拒也许是科学家常遭遇的事情，很常见，诺奖得主的文章遭据你听过吗?近期TheScientist就爆出一件秘辛，1953年诺奖得主HansKrebs在1937年曾向Nature投稿遭拒。1988年，当Krebs已经辞世7年，Nature杂志匿名编辑在一篇公开信上指出，拒绝Krebs的文章是Nature杂志有史以来所犯的最大错误。三羧酸循环发现的大事记1911-1920T.Thunberg等肌肉组织可氧化柠檬酸、琥珀酸、延胡索酸和苹果酸等。1935Albert,Szent4C的二羧酸（琥珀酸、延胡索酸、-Gyorgyi苹果酸和草酰乙酸等)能促进肌氧耗量;并确立琥珀酸经延胡索酸和苹果酸转变成草酰乙酸。Wagner-Janregy等异柠檬酸是柠檬酸的氧化产物。1936Green等猪心肌中提得苹果酸脱氢酶。1937Martius,F.Knoop等证明柠檬酸经顺乌头酸异构化为异柠檬酸，进一步氧化成-酮戊二酸。1937HansKrebs证明柠檬酸来自乙酰CoA和草酰乙酸的缩合。柠檬酸循环是“燃料”物质氧化分解的中心途径丙酮酸生成乙酰CoA丙酮酸脱氢酶复合物Pyruvatedehydrogenasecomplex丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA的反应由丙酮酸脱氢酶复合物催化完成，反应发生于真核生物的线粒体中，是连接糖酵解与三羧酸循环的中心环节。酶复合物是一个多酶体系，由三种酶蛋白和六种辅助因子组成，分别是丙酮酸脱氢[羧]酶[E1]、二氢硫辛酸(酰胺）转乙酰酶[E2]和二氢硫辛酸（酰胺）脱氢酶[E3]。辅助因子包括[TPP]、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA和Mg2+。PyruvatedHEComplex丙酮酸脱氢酶复合物催化丙酮酸氧化脱羧Mg2+反应不可逆辅酶A[CoenzymeA,CoA]硫辛酸、二氢硫辛酸转乙酰酶以酰胺键相连PydHE复合物催化5步反应1)Py脱羧生成羟乙基-TPP；2)二氢硫辛酸转乙酰酶催化羟乙基TPP氧化为乙酰基，并转移给硫辛酰胺形成乙酰硫辛酰胺；3)二氢硫辛酸转乙酰酶催化乙酰硫辛酰胺上的乙酰基转移给CoA生成乙酰CoA；4)二氢硫辛酸dHE催化还原的硫辛酸再氧化，并将氢交给FAD生成FADH2-E；5)FADH2使NAD+还原。PydHE催化的反应丙酮酸脱氢酶复合物催化丙酮酸氧化脱羧PydHE复合物的调节IPyCH3CO~SCoA是一个重要的反应步骤，处于代谢的分支点，受到严密的调节作用：1)产物抑制acetylCoA和NADH都抑制PydHE复合物(分别抑制E2和E3)，抑制作用可以被相应的反应物CoA及NAD+所逆转。2)核苷酸反馈调节整个酶体系的活性由细胞的能荷水平所调控，体系受GTP(ATP)抑制(抑制E1)，为AMP所活化。PydHE复合物的调节II3)可逆磷酸化作用的共价调节（covalentregulation），ATP存在时，Py脱氢酶(E1）酶分子上的Ser-OH被蛋白激酶催化磷酸化而失去活性，一旦磷酸基团被磷酸酯酶催化水解[去磷酸化]可恢复活性。细胞内ATP/ADP、AcetylCoA/CoA、NADH/NAD+高时，磷酸化作用加强；Ca2+促进去磷酸化作用，insulin也可刺激去磷酸化作用。PydHE复合物的调节III•砷化物与E2中的辅基硫辛酰胺形成无催化能力的砷化物。•Ca2+激活：Ca2+通过激活磷酸酶的作用，使丙酮酸脱氢酶活化。丙酮酸脱氢酶复合物的调节葡萄糖代谢的调节►柠檬酸[三羧酸]循环CitricAcidCycle[TricarboxylicAcidCycle(TCA),KrebsCycle]乙酰CoA经一系列（8或9步反应）的氧化、脱羧，最终生成CO2、还原电子和部分能量的过程。乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成柠檬酸，再经一系列的氧化、脱羧，循环后再生草酰乙酸，其中生成2CO2,3[NADH+H+],1GTP[ATP],1FADH2。TCA循环的酶、底物和产物(1)______________________C2C6C4C4C5NADH+H+CO2NADH+H+CO2GTPFADH2NADH+H+TCA示意图柠檬酸合(成)酶(CitrateSynthase)EC4.1.3.7，线粒体基质，为缩合酶，催化TCA的第一步反应，先生成柠檬酰CoA，再水解为柠檬酸，放能反应、不可逆，是TCA的一个调节酶，活性受ATP、NADH、SuccinylCoA及长链脂酰CoA的抑制，对于TCA是一个rate-limittingstep。柠檬酸合成酶空的酶构象结合草酰乙酸的构象草酰乙酸CoA乌头酸酶作用于柠檬酸生成异柠檬酸致死合成（Lethalsynthesis)氟乙酰CoA(氟乙酸、氟乙酸钠、氟乙酰胺）在酶的作用下与草酰乙酸生成氟柠檬酸，顺乌头酸酶只识别柠檬酸，对氟柠檬酸没有作用，致使TCA中断，这种由外来底物经生物体合成代谢为一类对生物体有毒性或可以致死产物的合成为致死合成(lethalsynthesis)。在代谢研究的应用上，被广泛用于杀虫剂或灭鼠药的生产。氟柠檬酸氟柠檬酸的致死机制异柠檬酸dHETCA的第一次氧化脱羧，产物为-酮戊二酸。细胞内有两种异柠檬酸dHE，线粒体中以NAD+为氢受体；另一种以NADP+为氢受体（胞质及线粒体中都有存在），前者为Mg2+及Mn2+所活化，是别构酶，正调控物是ADP，缺乏ADP时没有活力，ATP及NADH对酶有抑制作用。异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸-酮戊二酸dHEComplex与PydHE复合物的组成及作用相似，包括三个酶组分:1）-酮戊二酸dHE(E1’)2）琥珀酰转移酶(E2’)3）二氢硫辛酸dHE(E3’)还有六种辅助因子：TPP、CoA、FAD、NAD+、Lipoicacid(Lipoamide)及Mg2+。是调节酶，受产物NADH、succinylCoA和Ca2+抑制；ATP、GTP对酶有反馈抑制；不受可逆磷酸化的共价调节。-酮戊二酸氧化脱羧氧化释放的能量贮存于硫酯键中TCA的底物水平磷酸化琥珀酰CoA转变为琥珀酸，产生1GTP(ATP)，由琥珀酰CoA合成酶（琥珀酸硫激酶）催化。TCA的底物水平磷酸化（也称琥珀酸硫激酶）琥珀酰CoA合成酶催化的反应-亚基-亚基琥珀酸脱氢酶(SuccinatedHE)•催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸，H受体是FAD。琥珀酸dHE是真核生物TCA中唯一一个掺入线粒体内膜的酶[原核生物参入质膜]，直接与呼吸链相连。•产物延胡索酸（反丁烯二酸），顺丁烯二酸（马来酸，maleicacid）不能参加代谢，对机体有毒。•丙二酸(malonate)是酶的竞争性抑制剂。琥珀酸脱氢生成延胡索酸苹果酸氧化再生草酰乙酸TCA循环反应TCA小结•循环从C4物与乙酰CoA缩合生成C6物开始；•每一次循环经历两次脱羧，放出2CO2;•每一循环经历四次脱氢，其中3次以NAD+为氢受体，1次以FAD为氢受体；•每循环一次，底物水平磷酸化一次生成1GTP(ATP)。TCA小结（续）•循环一次结束以C4物（草酰乙酸）重新生成为标志。•总反应：AcetylCoA+2H2O+3NAD++FAD+GDP+Pi2CO2+3(NADH+H+)+FADH2+GTP+CoASHTCA循环小结图葡萄糖分解的能量代谢Glucose（胞液）-2ATP+4ATP,+2(NADH+H+)（经穿梭系统进入线粒体）Py（线粒体）+2(NADH+H++2CO2TCA+2[2CO2+3(NADH+H+)+FADH2+GTP]氧化磷酸化，36or38ATPTCA各步反应表葡萄糖+2ADP+2Pi→2乳酸（2乙醇+2CO2）+2ATP糖的无氧氧化能量利用率：葡萄糖彻底氧化-2870.22kJ/mol，利用60.1kJ/mol(30.5×2)利用率2.1%葡萄糖+10NAD++2ADP+2GDP+4Pi+2FAD→6CO2+6H2O+10NADH+10H++2ATP+2GTP+2FADH2糖的有氧氧化葡萄糖糖酵解三羧酸循环丙酮酸乙酰CoA丙酮酸脱氢酶系2ATP2NADH2NADH2GTP6NADH2FADH26~8ATP6ATP24ATP36~38ATP能量利用率：葡萄糖彻底氧化-2870.22kJ/mol，38个ATP贮存1159.0kJ/mol(30.5×38)。能量利用率40.4%三羧循环的生物学意义是生命有机体获得生命活动所需能量的主要分解代谢途径；是糖、脂、蛋白质等物质代谢和转化的中心枢纽；为生物体的生物合成提供多种重要的中间产物。TCA及其功能TCA作为两用代谢途径TCA中间物用于生物合成的前体TCA循环在合成代谢中的作用回(添)补反应AnapleroticReactions(1)动物肝脏和肾脏的线粒体中，丙酮酸羧化酶催化OCCOOHCH3COCOOH+CO2+ATP+H2OCH2COOH+ADP+PiMg2+,biotin(2)植物、细菌等，PEP羧化酶催化CH2CCOOH+H2O+CO2O=CCOOH+Pi|O~PCH2COOHPyruvateCarboxylasePEPCarboxylase回(添)补反应(3)心脏、骨骼肌中，PEP羧激酶催化PEP+CO2+GDPoxaloacetate+GTP(4)原核、真核中广泛存在的苹果酸酶催化CH3COCOOH+CO2