1、Chapter 4合成代謝合成代謝（同化作用）（同化作用）分解分解代謝代謝（異異化作用）化作用）生物小分子合成生物大分子生物小分子合成生物大分子需要能量需要能量釋放能量釋放能量生物大分子分解為生物小分子生物大分子分解為生物小分子物質(zhì)物質(zhì)代謝代謝二者相輔相成，研究物質(zhì)代謝就是研究能量代謝二者相輔相成，研究物質(zhì)代謝就是研究能量代謝糖類是多羥基醛、多羥基酮或其衍生物，或水解時能產(chǎn)生這些化合物的多聚物1.單糖2.寡糖3.多糖4.結(jié)合糖單糖 （monosaccharides ）單糖是最簡單的，不再被水解成更小的糖單位。C(H2O)n， n=3-9 ，其中戊糖（pentose)和己糖(hexose）分布廣

2、意義大。根據(jù)單糖中碳原子數(shù)目分為丙、丁、戊、己糖等；根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點又分為醛糖和酮糖。生物體內(nèi)常見的單糖-醛糖生物體內(nèi)常見的單糖-酮糖呋喃型果糖吡喃型葡萄糖寡糖是少數(shù)單糖（210個）的縮合產(chǎn)物。其中最重要的是雙糖，雙糖中常見的是蔗糖（sucrose）、麥芽糖(maltose)、乳糖(lactose)。寡糖(oligosaccharides )多糖是多個單糖基通過糖苷鍵連接而形成的高聚物。常見的有由一種類型的糖基組成的淀粉（starch）、糖原（glycogen）和纖維素（cellulose）等。多糖（polysaccharides）2.1 糖酵解 糖酵解是指葡萄糖在酶的作用下，在細胞質(zhì)中經(jīng)一系列

3、脫氫氧化分解成丙酮酸的過程。由于氧化分解沒有氧氣參與，故之為酵解。 G. Embden, O. Meyerhof, J. K. Parnas在研究糖酵解途徑中作出了重大貢獻，簡稱為EMP途徑。 EMP的生化歷程 分為兩個階段，共10個反應組成。第一階段：第一階段：耗能耗能第二階段：第二階段：放能放能葡萄糖的磷酸化(phosphorylation of glucose) 在己糖激酶作用下消耗ATP，使葡萄糖的第6位碳上被磷酸化生成6-磷酸葡萄糖(G-6-P)，這不僅活化了葡萄糖，也有利于進一步參與合成與分解代謝，同時還能使進入細胞的葡萄糖不再逸出細胞 Mg2+是己糖激酶的激活劑，6-磷酸葡萄糖是

4、HK的反饋抑制物，己糖激酶是糖氧化反應過程的限速酶(rate limiting enzyme，key enzyme)。 己糖激酶的己糖激酶的“誘導契合誘導契合” 6-磷酸葡萄糖的異構(gòu)反應(isomerization of glucose-6-phosphate) 6-磷酸果糖的磷酸化(phosphorylation of fructose-6-phosphate) 磷酸果糖激酶(phosphofructokinase, PFK)催化6-磷酸果糖第一位C上磷酸化生成1,6-二磷酸果糖，磷酸根由ATP供給。1，6-二磷酸果糖的裂解(cleavage of fructose1,6 di/bis ph

5、osphate)磷酸二羥丙酮的異構(gòu)反應(isomerization of dihydroxyacetonephosphate) 3 - 磷 酸 甘 油 醛 的 氧 化 ( o x i d a t i o n o f glyceraldehyde-3-phosphate） 3-磷酸甘油醛脫氫酶(glyceraldehyde 3-phosphatedehydrogenase)催化3-磷酸甘油醛氧化脫氫并磷酸化生成含有1個高能磷酸鍵的1,3-二磷酸甘油酸，反應脫下的氫和電子轉(zhuǎn)給NAD生成NADH，磷酸根來自無機磷酸。該酶受到碘乙酸的抑制和該酶受到碘乙酸的抑制和砷酸鹽的解偶聯(lián)作用砷酸鹽的解偶聯(lián)作用 1

6、，3-二磷酸甘油酸的高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移反應 磷 酸 甘 油 酸 激 酶 ( p h o s p h a g l y c e r a t e kinase,PGK)催化1，3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸，同時其C1上的高能磷酸根轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP。 在底物氧化過程中，將底物分子中的高能磷酸基團直接轉(zhuǎn)移給ADP，偶聯(lián)生成ATP的反應稱為底 物 水 平 磷 酸 化 ( s u b s t r a t e l e v e l phosphorylation)。 3-磷酸甘油酸的變位反應2-磷酸甘油酸的脫水反應F-能與能與Mg2+形成絡合物并結(jié)合在酶分子上而抑制酶的活性形成絡合物并結(jié)合在酶分子上而抑

7、制酶的活性 磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸轉(zhuǎn)移 在丙酮酸激酶(pyruvate kinase, PK)催化下，磷酸烯醇式丙酮酸上的高能磷酸根轉(zhuǎn)移至ADP生成ATP，這是第二次底物水平的磷酸化過程。丙酮酸的三種去向 糖酵解途徑中己糖激酶(HK)，磷酸果糖激酶-1(PFK-1)和丙酮酸激酶(PK)是主要的限速酶，調(diào)節(jié)著糖酵解的速度，以滿足細胞對ATP和合成原料的需要。1、磷酸果糖激酶 三個限速酶中起決定作用的是催化效率最低的酶PFK。因此它是一個限速酶，酵解速度主要決定于其活性。 6-磷酸果糖、ADP和AMP是磷酸果糖激酶的別構(gòu)激活劑，而ATP、檸檬酸、脂肪酸等是該酶的別構(gòu)抑制劑。 糖酵解的調(diào)節(jié)2、己糖激

8、酶 己糖激酶的別構(gòu)抑制劑為其產(chǎn)物6-磷酸葡萄糖。當磷酸果糖激酶活性被抑制時，底物6-磷酸果糖積累，進而使6-磷酸葡萄糖的濃度升高，從而引起己糖激酶活性下降。 3、丙酮酸激酶丙酮酸激酶 丙酮酸激酶具有變構(gòu)酶性質(zhì)，高濃度ATP、丙氨酸、乙酰CoA等代謝物抑制其活性，這是生成物對反應本身的反饋抑制。當ATP的生成量超過細胞自身需要時，通過丙酮酸激酶的別構(gòu)抑制使糖酵解速度減低。cAMP激活的蛋白激酶也可使丙酮酸激酶磷酸化而失活。ADP是變構(gòu)激活劑，Mg2+或K+可激活丙酮酸激酶的活性。糖酵解的過程糖酵解的過程 通過分子通過分子內(nèi)結(jié)構(gòu)的調(diào)內(nèi)結(jié)構(gòu)的調(diào)整整, 生成了樞生成了樞紐物質(zhì)丙酮紐物質(zhì)丙酮酸酸Summ

9、ary 1937年，H.A.Krebs以鴿胸肌為材料，研究丙酮酸有氧條件下在線粒體中被氧化分解為CO2，整個氧化分解過程構(gòu)成一個循環(huán)，且反應中有三個羧基的有機酸，稱為三羧酸循環(huán)，又稱Krebs環(huán)。由于TCA中乙酰CoA與草酰乙酸縮合生成了檸檬酸，又稱為檸檬酸循環(huán)(citric acid cycle)。 EMP的終產(chǎn)物丙酮酸在有氧條件下丙酮酸進入線粒體，氧化分解為CO2的過程。 糖降解代謝大部分是在有氧條件下進行的，糖的有氧降解實際上是丙酮酸在有氧條件下的徹底氧化分解，因此無氧酵解和有氧氧化是在丙酮酸生成以后才分歧的。 丙酮酸在線粒體中的氧化可分為兩個階段： 丙酮酸氧化為乙酰CoA； 乙酰CoA

10、的乙?；糠纸?jīng)過三羧酸循環(huán)氧化為CO2。 丙酮酸脫氫酶系(pyruvate dehydrogenase system)催化丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA。 丙酮酸脫氫酶系是一個多酶復合體，位于線粒體內(nèi)膜上。 由丙酮酸脫氫酶(E1)， 二氫硫辛酰轉(zhuǎn)乙酰酶(E2)， 二氫硫辛酰脫氫酶(E3)3種酶組成。 多酶復合體形成了緊密相連的連鎖反應機構(gòu)，提高了催化效率。酶系催化的反應分5步進行。 涉及焦磷酸硫胺素(TPP)、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA和Mg2+等6種輔因子。乙酰CoA與草酰乙酸縮合成檸檬酸 在檸檬酸合酶(citrate synthase)催化下，乙酰CoA與草酰乙酸縮合成檸檬酸，此反應是

11、一個放能過程，反應不可逆。 乙酰CoA具有硫酯鍵，乙?；凶銐蚰芰颗c草酰乙酸(oxaloacetate)的羧基進行醛醇型縮合。先從CH3CO基上除去一個H+，生成的陰離子對草酰乙酸的羰基碳進行親核攻擊，生成檸檬酰CoA中間體，然后高能硫酯鍵水解放出游離的檸檬酸。異檸檬酸形成 在烏頭酸酶催化下，檸檬酸脫水生成順烏頭酸，加水生成異檸檬酸。氟檸檬酸的致死機制氟檸檬酸的致死機制異檸檬酸氧化脫羧生成-酮戊二酸 在異檸檬酸脫氫酶作用下，異檸檬酸氧化脫氫生成草酰琥珀酸(oxalosuccinate) 中間產(chǎn)物，再脫羧生成-酮戊二酸(-ketoglutarate)、NADH和CO2，此反應為-氧化脫羧，此酶需

12、要Mn2+作為激活劑。 -酮戊二酸氧化脫羧 在-酮戊二酸脫氫酶系作用下，-酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀酰CoA、NADH和CO2，反應過程完全類似于丙酮酸脫氫酶系催化的氧化脫羧，屬于- 氧化脫羧，氧化產(chǎn)生的能量中一部分儲存于琥珀酰CoA的高能硫酯鍵中。琥珀酸的生成 在琥珀酸硫激酶(succinate thiokinase)的作用下，琥珀酰CoA的硫酯鍵水解，生成琥珀酸，釋放的自由能用于合成GTP。 在細菌和高等生物可直接生成ATP，在哺乳動物中，先生成GTP，再生成ATP，此時，琥珀酰CoA生成琥珀酸和輔酶A。底物水平磷酸化底物水平磷酸化琥珀酸脫氫生成延胡索酸 琥珀酸脫氫酶(succinate d

13、ehydrogenase)催化琥珀酸氧化成為延胡索酸。 琥珀酸脫氫酶結(jié)合在線粒體內(nèi)膜上，而其他三羧酸循環(huán)的酶都存在于線粒體基質(zhì)中。 琥珀酸脫氫酶含有鐵硫中心和共價結(jié)合的FAD，來自琥珀酸的電子通過FAD和鐵硫中心，然后進入電子傳遞鏈到O2。 丙二酸是琥珀酸的類似物，是琥珀酸脫氫酶強有力的競爭性抑制物，所以可以阻斷TCA。蘋果酸的生成 延胡索酸在延胡索酸酶的作用下水化生成蘋果酸。 延胡索酸酶僅對延胡索酸的反式雙鍵起作用，而對順丁烯二酸(馬來酸)無催化作用，因而是高度立體特異性的。草酰乙酸再生 在蘋果酸脫氫酶(malic dehydrogenase)作用下，蘋果酸脫氫氧化生成草酰乙酸。 NAD是脫

14、氫酶的輔酶，接受氫成為NADH。 草酰乙酸的回補主要途徑丙酮酸的羧化丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下形成草酰乙酸。PEP的羧化 PEP在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶作用下形成草酰乙酸。反應在胞液中進行，生成的草酰乙酸需轉(zhuǎn)變成蘋果酸后穿梭進入線粒體，然后再脫氫生成草酰乙酸。 化化天冬氨酸和谷氨酸轉(zhuǎn)氨作用天冬氨酸和谷氨酸經(jīng)轉(zhuǎn)氨作用可形成草酰乙酸和-酮戊二酸。異亮氨酸、纈氨酸和蘇氨酸、甲硫氨酸也可形成琥珀酰CoA。TCA中的化學計量和特點CO2的生成 TCA中有3次脫羧反應，通過脫羧作用生成CO2是機體內(nèi)產(chǎn)生CO2的普遍規(guī)律，可見機體CO2的生成與體外燃燒生成CO2的過程截然不同。脫氫反應 三羧酸循環(huán)的5次脫氫

15、，其中4對氫原子還原NAD生成NADH，1對氫原子還原FAD生成FADH2，它們又經(jīng)線粒體內(nèi)遞氫體系傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，在此過程中釋放出來的能量使ADP和Pi結(jié)合生成ATP。乙酰CoA進入循環(huán)與草酰乙酸縮合生成檸檬酸，在三羧酸循環(huán)中有二次脫羧生成2分子CO2，與進入循環(huán)的二碳乙?；奶荚訑?shù)相等，但是，以CO2方式失去的碳并非來自乙?；膬蓚€碳原子，而是來自草酰乙酸。TCA的生理意義 TCA是機體獲取能量的主要方式。 TCA是物質(zhì)代謝的樞紐。 TCA是兩用代謝途徑。合成代謝合成代謝TCATCA循環(huán)循環(huán)中間產(chǎn)物中間產(chǎn)物脂肪酸、氨基酸脂肪酸、氨基酸分解代謝產(chǎn)物分解代謝產(chǎn)物C C2 2O+HO+H2 2O+O+能量能量 在組織勻漿中加入碘乙酸或氟化物等EMP的抑制劑，仍有一定量的葡萄糖被氧化成水和CO2，同位素標記表明，葡萄糖的氧化首先發(fā)生在C1位，證明此過程不同于EMP途徑1955年Racker和Gunsalus等發(fā)現(xiàn)了磷酸戊糖途徑(pentose phosphate pathway，PPP)又稱