第二章糖代谢的中心途径.

微生物生理学王志生工楼203室[e-mail]第二章糖代谢的中心途径•原因如下•FBP积累，EMP途径上游代谢池抬升，细胞代谢活性将要降低。为了维持能量代谢和EMP碳通量，需要在EMP途径末端找个代谢出口，激活或增强乳酸脱氢酶可以实现这个目标。•链球菌ED途径中，6-磷酸葡萄糖酸积累，说明重要产物3-磷酸甘油醛和Py在cell的代谢池含量升高。•但是EMP途径也产生这两种物质。该菌以ED发酵为主，便以6-磷酸葡萄糖酸为效应物抑制EMP途径的磷酸己糖异构酶，以降低EMP下游代谢池生成两者的效率，以维持ED产物3-磷酸甘油醛和Py的顺利进行。6-磷酸葡萄糖酸脱水酶活性被FBP抑制•链球菌的ED途径中，6-磷酸葡萄糖酸脱水酶催化KDPG的生成。•KDPG醛缩酶水解生成3-磷酸甘油醛和Py•当这两种产物在cell含量升高时，对细胞来讲EMP下游代谢池抬升，FBP也抬升，是碳源过剩的状态。•形成以FBP为效应物抑制6-磷酸葡糖酸脱水酶的反馈抑制的代谢机制•即：链球菌中，G以ED途径为主，EMP途径为辅。•第二、ED途径生成6-磷酸葡萄糖酸以及随后的Py和GAP，没必要再从EMP途径生成这2种物质，并通过抑制磷酸己糖异构酶活性来达到目的。•第三、当ED途径过载，6-磷酸葡萄糖酸以及GAP和Py过量生成并积累，两者代谢池的抬升也引起了FBP的抬升，这对细胞来讲是不经济的浪费行为，便通过FBP抑制6-磷酸葡萄糖酸脱水酶活性来减少GAP和Py的生成。•这2中调节相辅相成，保证ED经济运行。无葡萄糖酸积累，ED途径不能进行，何时存在呢？我们这样来理解：当EMP途径经过代谢调整，使EMP途径碳流量显著下降（如：发酵条件下），此时，HMP途径活性或碳通量增强，葡萄糖酸增加或积累，此时，ED途径激活。相比EMP途径，NADH产量减半。这是一种代谢适应。运动发酵单胞菌Why？Why?运动发酵单胞菌E.Coli即：Pyruvate处旁路代谢而非只进入乙醇合成途径再如下图所示：乙酰磷酸转移酶乙醛脱氢酶乙醇脱氢酶P3PPOOHOHCH2CH2OO12546CH2OCOH2COHP磷酸二羟丙酮123+OOHOHCH2CH2OHOPP②异构6-磷酸果糖HCOHCOHH2COP5643-磷酸甘油醛（GAP）PPCOHCOHH2COO1，3-二磷酸甘油酸（1，3-BPG）PCOHCOHH2COOH3-磷酸甘油酸PCOH2CCOOHOHH2-磷酸甘油酸COCH2COOHP磷酸烯醇式丙酮酸6-磷酸葡萄糖OOHCH2OPPG葡萄糖①活化④裂解⑥脱氢⑤异构PPOOHOHCH2CH2OOP1，6-二磷酸果糖FBP③活化⑦产能⑨脱水⑧异构⑩产能HHOH醛缩酶正磷酸磷酸甘油酸激酶磷酸己糖异构酶磷酸果糖激酶磷酸甘油醛脱氢酶NADH生产烯醇化酶丙酮酸激酶Py羧基来自G的C3C4PyC3来自G的C1C6氧化还原反应123123456G的•⑴乙醇发酵COOHCOCH3CO2HCOCH3NADH+HNAD++CH3CH2OH丙酮酸脱羧酶+TPP乙醇脱氢酶乙醇Py羧基来自G的C3C4PyC3来自G的C1C6乙醛乙醛乙醇的羟基碳来自丙酮酸的2号碳，即G的C2或C5Why？丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA•Py可穿过线粒体内膜进入线粒体内膜内，在丙酮酸脱氢酶系的催化下氧化脱羧生成乙酰CoA。丙酮酸脱氢酶系是糖有氧氧化途径的关键酶之一。丙酮酸脱氢酶系NAD++HSCoANADH+H++CO2*Py羧基来自G的C3C4；PyC3来自G的C1C6第一个CO2分子的释放，C来自GC3C41、62、56-P-葡萄糖酸内酯CCCHHOCOHHCHCH2OPOHHOHHOG-6-PCCCHHOCOHHCHCH2OPOHHOONADP+NADPH+H+①COOHCCHHOCOHHCOHHCH2OPOHHH2O②6-P-葡萄糖酸①6-P-葡萄糖脱氢酶②内酯酶磷酸戊糖途径的脱羧反应氧化反应阶段COOHCCHHOCOHHCOHHCH2OPOHHCH2OHCOCOHHCOHHCH2OPNADP+NADPH+H+CO26-P-葡萄糖酸5-P-核酮糖③③6-P-葡萄糖酸脱氢酶脱去G1号碳&3434HCOHCOHH2COP5643-磷酸甘油醛（GAP）6544号碳即Py的羧基碳Py脱羧酶催化，此碳释放•由非糖物质转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖异生(gluconeogenesis)。•糖异生代谢途径主要存在于肝及肾中。•糖异生主要沿酵解途径逆行，7步可逆步骤+3特异反应，有三步反应为不可逆反应，故需经其他的代谢反应绕行。或者需要合成糖类增加生物相容性溶质浓度时3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮NAD+⑤磷酸丙糖异构酶2⑥3-磷酸甘油醛脱氢酶NADH＋H1.3-二磷酸甘油酸ADP23-磷酸甘油酸2⑧磷酸甘油酸变位酶H20磷酸ADPATP2-磷酸甘油酸2烯醇式丙酮酸⑨烯醇化酶⑩丙酮酸激酶⑤异构ΔG=-0.6kcal/mol(可逆)⑦磷酸甘油酸激酶ATP⑥氧化磷酸化ΔG=-0.4kcal/mol(可逆)⑦产能1ΔG=+0.3kcal/mol(可逆)⑩产能2ΔG=-4.0kcal/mol(不可逆)⑧异构⑨脱水ΔG=+0.2kcal/molΔG=-0.8kcal/mol(可逆)（可逆）2丙酮酸第1步丙酮酸→磷酸烯醇式丙酮酸提问：如何进行？答案：提供更多的活化能量。草酰乙酸丙酮酸丙酮酸羧化酶CO2ATPADP+PiGTPGDPCO2烯醇丙酮酸磷酸羧激酶磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸羧化支路试想：若菌株是生物素营养缺陷型，如何？生物素线粒体胞液胞液这是总体反应步骤Py首先由载体蛋白运入线粒体，在Py羧化酶生OAA，由于细胞不存在OAA跨膜蛋白，OAA需先转化为Malate再由其载体运至胞液内，后malate变OAA，再在磷酸烯醇丙酮酸羧激酶作用成OAA；或Malate在苹果酸酶作用下生成Py，然后天冬氨酸氨基转移酶提个问题，若取消糖异生途径，理论上该如何设计实验？提个问题，若取消糖异生途径，理论上该如何设计实验？•1、Py羧化支路缺陷（如：生物素影响缺陷）•2、Malate供给减少（Malate营养缺陷或降低TCA循环下游碳流量）•磷酸烯醇式丙酮酸逆行至1，6-二磷酸果糖•第2步葡萄糖糖原（淀粉）ATP①己糖激酶6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖变位酶1-磷酸葡萄糖②磷酸葡萄糖异构酶6-磷酸果糖ATP③磷酸果糖激酶1．6—二磷酸果糖④醛缩酶3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮①活化ΔG=-7.5kcal/mol(不可逆)②异构ΔG=-0.6kcal/mol(可逆)③二次活化ΔG=-5.0kcal/mol(不可逆)④裂解ΔG=-0.3kcal/mol(可逆)磷酸化酶磷酸ADPADP•提问：如何进行？•G-6-P磷酸酯酶水解OOHOHCH2CH2OHOPP6-磷酸果糖PPOOHOHCH2CH2OOP1，6-二磷酸果糖•答案：在16-二磷酸果糖磷酸酯酶水解。•第3步α-1,4-糖苷键α-1,6-糖苷键糖原的合成•糖原是由许多葡萄糖分子聚合而成的带有分支的高分子多糖类化合物。•糖原分子的直链部分借α-1,4-糖苷键而将葡萄糖残基连接起来，其支链部分则是借α-1,6-糖苷键而形成分支。•糖原是一种无还原性的多糖。•糖原合成或分解时，其葡萄糖残基的添加或去除，均在其非还原端进行。•糖原的合成与分解代谢主要发生在肝、肾和肌肉组织细胞的胞液中。糖原（一）糖原的合成代谢１、反应过程：糖原合成的反应过程可分为三个阶段：Ａ活化：由葡萄糖生成UDPG(uridinediphosphateglucose)，是一耗能过程。⑴磷酸化：G+ATPG-6-P+ADP己糖激酶(葡萄糖激酶)⑵异构：G-6-P转变为G-1-P：G-6-PG-1-P⑶转形：G-1-P转变为尿苷二磷酸葡萄糖（合成糖原时，葡萄糖基的直接供体是UDPG）：G-1-P+UTPUDPG+PPiUDPG焦磷酸化酶磷酸葡萄糖变位酶反应过程Ｂ缩合：UDPG+(G)n(G)n+1+UDPＣ分支：•当直链长度达12个葡萄糖残基以上时，在分支酶催化下，将距末端6～7个葡萄糖残基组成的寡糖链由α-1,4-糖苷键转变为α-1,6-糖苷键，使糖原出现分支。糖原合酶*反应过程２、糖原合成的特点：必须以原有糖原分子作为引物；合成反应在糖原的非还原端进行；合成为一耗能过程，每增加一个葡萄糖残基，需消耗3个高能磷酸键（2分子ATP）；其关键酶是糖原合酶，为一共价修饰酶；需UTP参与（以UDP为载体）。•糖原引物是在一种被称为糖原引物蛋白（glycogenin）分子上形成的，这种蛋白质能对其自身进行共价修饰，即它的分子中第194位酪氨酸残基的酚羟基被糖基化，形成葡聚糖链，作为糖原合成时UDPG中葡萄糖基的接受体，此接受体即为糖原引物。三羧酸循环OAA的回补途径4条PEP羧激酶乙醛酸循环的反应。由异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶催化的反应（红色）绕过了三羧酸循环中从异柠檬酸到苹果酸之间的5个反应。+乙醛酸乙醛酸循环的反应：1）乙酰辅酶A由脂肪酸氧化产生。乙酸也可以通过乙酸硫激酶转换成乙酰辅酶A。乙酸+CoASH+ATP→乙酰辅酶A+AMP+Pi2）乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合产生柠檬酸。3）柠檬酸与顺乌头酸酶反应产生异柠檬酸。4）异柠檬酸裂解酶切割异柠檬酸产生乙醛酸和琥珀酸。5）乙醛酸经苹果酸合成酶催化，在水存在下接受乙酰辅酶A的乙酸6）苹果酸在苹果酸脱氢酶的催化下再脱氢生成草酰乙酸。尽管这个反应，以及柠檬酸合成酶和顺乌头酸酶的反应，与三羧酸循环反应一样，但这三个在乙醛酸循环中的酶是三羧酸循环酶的同工酶。这些同工酶存在于植物的乙醛酸循环体中，只在乙醛酸循环中起作用。总反应：2乙酰CoA+NAD++2H2O→琥珀酸+2CoASH+NADH+2H+•代谢通量分析（metabolicfluxanalysis，MFA）是用计量矩阵模型表示拟稳态假设下胞内反应的一种定量分析方法。它假定一定时间内，胞内中间代谢产物的浓度不变，根据代谢途径中各反应的计量关系以及实验中测得的底物消耗速率或者产物生成速率，基于质量平衡以及可能的能量平衡来确定未知的反应速率，进而确定代谢网络的通量分配图。代谢通量分析不仅精确的定量描述代谢特性，还可以提供一些菌体生理方面更深入的一些信息。通过比较代谢通量的变化，我们就可以对遗传和环境扰动的影响给予充分的评价，并能对特定途径和反应的重要性进行准确的描述。Thankyou