39代谢及代谢途径

代谢代谢是生命最基本的特征之一，它是指生物体内发生的所有化学反应的总称，包括物质代谢和能量代谢两个方面的内容。细胞内的代谢途径和代谢网络分解代谢和合成代谢代谢的三种途径酶的三种组织方式代谢的基本特征①反应条件温和②高度调控③每一个代谢途径都是不可逆的④一个代谢途径至少存在1个限速步骤⑤各种生物在基本的代谢途径上是高度保守的⑥代谢途径在细胞内特别在真核细胞是高度分室化的⑦不同的生物使用不同的途径获取能量和碳源代谢途径的分室化代谢途径发生区域三羧酸循环、氧化磷酸化，脂肪酸氧化，氨基酸分解线粒体糖酵解、脂肪酸合成、磷酸戊糖途径、细胞液DNA复制、转录、转录后加工细胞核、线粒体、叶绿体膜蛋白和分泌蛋白的合成粗面内质网脂和胆固醇的合成光面内质网翻译后加工（糖基化）高尔基体尿素循环肝细胞线粒体和细胞液自养生物和异养生物分类C源能源电子供体实例光能自养生物CO2光HO2,H2S,S或其它无机物绿色植物、藻类、蓝细菌、光合细菌化能自养生物CO2氧化还原反应无机化合物如H2,H2S,NH4+Fe2+固氮菌、氢细菌、硫细菌和铁细菌光能异养生物有机化合物光有机物（葡萄糖）非硫紫细菌化能异养生物有机化合物氧化还原反应有机物（葡萄糖）动物、大多数微生物细胞需要持续不断的能量供应NADH,NADPH和ATPATP–通用的能量货币NADPH–生物还原剂代谢中的能量考虑糖酵解发生在所有的活细胞位于细胞液共有十步反应组成——在所有的细胞都相同，但速率不同。两个阶段：i)第一个阶段——投资阶段或引发阶段:葡萄糖→F-1,6-2P→2G-3-Pii)第二个阶段——获利阶段：产生2丙酮酸+2ATP丙酮酸的三种命运糖酵解的两阶段反应糖酵解A.能量投资阶段:葡萄糖(6C)甘油醛-3磷酸(2-3C)(G3P或GAP)2ATP-消化0ATP-产生0NADH-产生2ATP2ADP+PC-C-C-C-C-CC-C-CC-C-C糖酵解B.能量收获阶段：甘油醛-3-磷酸(2-3C)(G3P或GAP)丙酮酸(2-3C)(PYR)0ATP-消耗4ATP-产生2NADH-产生4ATP4ADP+PC-C-CC-C-CC-C-CC-C-CGAPGAP(PYR)(PYR)糖酵解的全部反应糖酵解第一阶段的反应第一步反应——葡萄糖的磷酸化己糖激酶或葡萄糖激酶引发反应——ATP被消耗，以便后面得到更多的ATP葡萄糖的磷酸化至少有两个意义：首先葡萄糖因此带上负电荷，极性猛增，很难再从细胞中“逃逸”出去；其次葡萄糖由此变得不稳定，有利于它在细胞内的进一步代谢。葡萄糖在细胞内磷酸化以后不能再离开细胞反应2:磷酸葡糖异构酶葡糖-6-磷酸转变成果糖-6-磷酸☻这是一步异构化反应。通过此反应，酮基从1号位变到2号，这既为下一步磷酸化反应创造了条件，也有利于后面由醛缩酶催化的C-3和C-4之间的断裂反应。反应3:磷酸果糖激酶是糖酵解的限速步骤!糖酵解第二次引发反应有大的自由能降低，受到高度的调控反应4:醛缩酶C6被切成2C3反应5:磷酸丙糖异构酶磷酸二羟丙酮转变成甘油醛-3-磷酸糖酵解-第二个阶段的反应产生4ATP导致糖酵解净产生2ATP涉及两个高能磷酸化合物•.–1,3BPG–PEP反应6:甘油醛-3-磷酸脱氢酶甘油醛-3-磷酸被氧化成甘油酸-1,3-二磷酸☻这是整个糖酵解途径唯一的一步氧化还原反应☻产生1,3-BPG和NADH☻为巯基酶，使用共价催化，碘代乙酸和有机汞能够抑制此酶活性。☻砷酸在化学结构和化学性质与Pi极为相似，因此可以代替无机磷酸参加反应，形成甘油酸-1-砷酸-3-磷酸，但这样的产物很不稳定，很快就自发地水解成为甘油酸-3-磷酸并产生热，无法进入下一步底物水平磷酸化反应。由于甘油酸-1-砷酸-3-磷酸的自发水解，将导致ATP合成受阻，影响细胞的正常代谢，这就是砷酸有毒性的原因。反应7:磷酸甘油酸激酶从高能磷酸化合物合成ATP☺这是一步底物水平的磷酸化反应☺红细胞内存在生成2,3-BPG的支路反应8:磷酸甘油酸变位酶磷酸基团从C-3转移到C-2反应9:烯醇化酶甘油酸-2-磷酸转变成PEP烯醇化酶的作用在于促进甘油酸-2-磷酸上某些原子的重排从而形成具有较高的磷酸转移势能的高能分子。氟合物能够与Mg2＋和磷酸基团形成络化物，而干扰甘油酸-2-磷酸与烯醇化的结合从而抑制该酶的活性。反应10:丙酮酸激酶PEP转化成丙酮酸，同时产生ATP产生两个ATP，可被视为糖酵解途径最后的能量回报。ΔG为大的负值——受到调控!NADH和丙酮酸的去向有氧还是无氧？？在有氧状态下NADH和丙酮酸的命运（1）NADH的命运NADH在呼吸链被彻底氧化成H2O并产生更多的ATP。（2）丙酮酸的命运丙酮酸经过线粒体内膜上丙酮酸运输体与质子一起进入线粒体基质，被基质内的丙酮酸脱氢酶系氧化成乙酰-CoA在缺氧状态或无氧状态下NADH和丙酮酸的命运（1）乳酸发酵（2）酒精发酵线粒体内膜上的甘油-3-磷酸和苹果酸-天冬氨酸穿梭系统丙酮酸的代谢去向糖酵解的生理意义产生ATP提供生物合成的原料糖酵解与肿瘤缺氧与缺氧诱导的转录因子甘油和其它单糖进入糖酵解的途径糖异生泛指细胞内由乳酸或其它非糖物质净合成葡萄糖的过程。它主要发生在动物的肝脏（80％）和肾脏（20％），是动物细胞自身合成葡萄糖的唯一手段。植物和某些微生物也可以进行糖异生。糖异生与糖酵解途径的比较糖异生的底物(动物)丙酮酸,乳酸,甘油,生糖氨基酸，所有TCA循环的中间物偶数脂肪酸不行!因为偶数脂肪酸氧化只能产生乙酰CoA，而乙酰CoA不能提供葡萄糖的净合成糖异生涉及的反应☺并不是糖酵解的简单逆转，其原因是：–一是因为糖酵解有三步不可逆反应–二是机体在对这两种代谢实行交互调控的时候不允许它们同时被激活或被抑制，否则就会陷入无效循环之中。糖异生II某些反应“借用于糖酵解”，某些反应是新的☺糖异生保留了糖酵解途径中的所有可逆反应（第二步，第四步～第九步）☺属于自己的新反应只有四步反应。在这四步反应中，有两步反应被用来克服糖酵解的最后一步不可逆反应，其余两步反应用来克服糖酵解的第三步和第一步不可逆反应。☺新的反应也提供了新的调控机制丙酮酸羧化酶糖异生的第一步反应存在于线粒体基质，需要生物素辅基由ATP驱动羧化反应果糖-1,6-二磷酸酶将F-1,6-P水解成F-6-P葡糖-6-磷酸酶催化葡糖-6-磷酸水解成葡萄糖☺存在于肝、肾细胞内质网膜上。☺肌肉和脑细胞没有这种酶，故不能进行糖异生☺G-6-P需要进入内质网腔才能水解其它物质进入糖异生的途径Cori循环和Ala循环TCA循环是糖、氨基酸和脂肪酸最后共同的代谢途径也称为柠檬酸循环和Krebs循环糖酵解产生的丙酮酸（实际上是乙酸）被降解成CO2产生一些ATP产生更多的NADHNADH进入呼吸链，通过氧化磷酸化产生更多的ATP。完整的三羧酸循环乙酰CoA的形成脂肪酸的β氧化氨基酸的氧化分解丙酮酸的氧化脱羧——由丙酮酸脱氢酶系催化丙酮酸的氧化脱羧丙酮酸如何进入线粒体？丙酮酸脱氢酶系的结构与组成——丙酮酸脱氢酶系由丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸转乙酰酶和二氢硫辛酸脱氢酶通过非共价键结合在一起的稳定复合物亚砷酸和有机砷的作用对象——氧化型硫辛酰胺的再生对于丙酮酸脱氢酶系的持续运转十分重要，砒霜的主要成分亚砷酸能够与还原型的硫辛酰胺形成共价的复合物而阻止它的再生。丙酮酸跨线粒体内膜的转运砒霜的毒性机理柠檬酸合酶催化的反应反应1：柠檬酸合酶氟代乙酸在细胞内的代谢转变及其对TCA循环的影响反应2：顺乌头酸酶柠檬酸异构化成异柠檬酸☻柠檬酸不是氧化的好底物反应3：异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸氧化脱羧产生α-酮戊二酸☻先是脱氢，然后是β-脱羧☻有两种形式的异柠檬酸脱氢酶，分别使用辅酶I和辅酶II作为氢的受体反应4：α-酮戊二酸脱氢酶系第二次氧化脱羧反应☻酶几乎等同于丙酮酸脱氢酶系——结构上或者机制上☻5种辅酶——TPP、CoASH、硫辛酸NAD+、FAD☻也是亚砷酸的作用对象反应5：琥珀酰-CoA合成酶TCA循环唯一的一步底物水平磷酸化反应☻ATP或GTP被合成反应6：琥珀酸脱氢酶产生FADH2☻此酶实际上是呼吸链复合体II的主要成分☻琥珀酸的类似物丙二酸是该酶的竞争性抑制剂反应7：富马酸酶双键的水合☻水分子加成反式的双键反应8：苹果酸脱氢酶产生NADH☻这是三羧酸循环的最后一步反应，也是三羧酸循环中的第四次氧化还原反应TCA循环总结总反应：乙酰-CoA+3NAD＋+FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3NADH+FADH2+GTP+2H＋+CoA1个乙酰-CoA通过三羧酸循环产生2CO2,1ATP,3NADH,1FADH22H2O被使用作为底物绝对需要O2吵，您顺意吵，（吵得）铜壶呼盐瓶！TCA循环的功能产生更多的ATP提供生物合成的原料是糖、氨基酸和脂肪酸最后的共同分解途径某些代谢中间我作为其他代谢途径的别构效应物产生CO2一分子葡萄糖彻底氧化过程中的ATP收支情况与ATP合成相关的反应合成ATP的方式合成ATP的量糖酵解（包括氧化磷酸化）己糖激酶PFK-1磷酸甘油酸激酶丙酮酸激酶甘油醛-3-磷酸脱氢酶（NADH）消耗ATP消耗ATP底物水平磷酸化底物水平磷酸化氧化磷酸化5或6或7－1－1＋2＋2＋3或＋4或＋5（取决于NADH通过何种途径进入呼吸链）丙酮酸脱氢酶系氧化磷氧化磷酸化酸化2×2.5＝5三羧酸循环异柠檬酸脱氢酶（NADH）α-酮戊二酸脱氢酶系（NADH）琥珀酰-CoA合成酶琥珀酸脱氢酶（FADH2）苹果酸脱氢酶（NADH）氧化磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化192.5×2＝52.5×2＝51×2＝21.5×2＝32.5×2＝5总ATP量30或31或32三羧酸循环中间物的去向乙醛酸循环植物和微生物的三羧酸循环的变化形式☺在每一轮循环中，前者有两分子乙酰-CoA进入☺只产生NADH，但不产生FADH2☺无底物水平磷酸化反应，因此不产生ATP☺不生成CO2，无碳单位的损失，净合成了糖异生的前体——苹果酸乙醛酸循环与三羧酸循环的比较植物细胞内的乙醛酸循环体及线粒体的亚显微结构植物细胞内乙醛酸循环的生理意义和草酰乙酸的再生磷酸戊糖途径又名磷酸己糖支路或6-磷酸葡糖酸途径☻发生在细胞液☻由氧化相和非氧化相组成☻在生物合成旺盛的细胞中更加活跃葡萄糖葡糖-6-磷酸果糖-6-磷酸糖酵解糖原PPP70%30%氧化相葡糖-6-磷酸脱氢酶不可逆反应——受到调控（受到NADPH抑制）葡糖酸内酯酶没有酶催化，也能发生葡糖酸-6-磷酸脱氢酶氧化脱羧反应此酶对NADP+高度特异性的;对NAD+的Km比对NADP+高1000倍非氧化相非氧化相全部由非氧化的可逆反应组成，共有5步，反应的性质是异构或分子重排，通过此阶段的反应，6分子戊糖转化成5分子己糖。将戊糖转变成糖酵解的中间物。磷酸戊糖途径的总结一个葡萄糖分子是不可能完成上述反应的，至少有3个葡萄糖分子同时进入才可以完成；只有6个葡萄糖分子同时进入磷酸戊糖途径，到最后才相当于有一个葡萄糖分子完全被氧化成CO2和H2O；磷酸戊糖途径并不是细胞产生NADPH的唯一途径发生在细胞液，不需要氧气；根据细胞对NADPH、核糖和ATP的需要不同，磷酸戊糖途径可以四种不同的模式存在：快速分裂的细胞需要更多的核糖-5-磷酸以第一种模式存在，需要等量的核糖-5-磷酸和NADPH的细胞以第二种模式存在，需要更多的NADPH以进行生物合成的细胞以第三种模式存在，只需要NADPH和ATP而不需要核糖-5-磷酸的细胞以第四种模式存在磷酸戊糖途径的功能与NADPH有关的功能（1）提供生物合成的还原剂NADPH（2）解毒——细胞色素P450单加氧酶解毒系统需要NADPH参与对毒物的羟基化反应。（3）免疫（4）维持红细胞膜的完整（5）间接进入呼吸链与核糖-5-磷酸有关的功能提供核苷酸及其衍生物合成的前体核糖-5-磷酸与赤藓糖-4-磷酸有关的功能芳香族氨基酸和维生素B6的合成需要赤藓糖。生物合成与磷酸戊糖途径活性的关系组织功