基因工程上課糖代謝

1、第八章第八章 新陳代謝引論新陳代謝引論第一節(jié) 新陳代謝的一般概念第二節(jié) 新陳代謝的調(diào)控及研究方法第一節(jié) 新陳代謝的一般概念 新陳代謝細胞內(nèi)進行的所有化學反應的總稱。包括（1）分解代謝自生的或從外界攝取的蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物等有機大分子氧化降解為簡單小分子，同時伴隨作能量的釋放的過程。釋放能量的相當一部分常以ATP（為主）、FADH2、NADH（可通過呼吸鏈產(chǎn)生ATP）和NADPH（主要作為還原性生物合成反應的原動力，即還原力）等形式被捕獲；（2）合成代謝以小分子前體為原料合成復雜的生物大分子的過程。分解代謝和合成代謝基本上采取不同的途徑，往往是在不同的細胞分隔中進行。但也有一些代謝環(huán)節(jié)是可

2、共同利用的，故將可共用的代謝環(huán)節(jié)稱為兩用代謝途徑。檸檬酸途徑是典型的例子。 葡萄糖CO2+H2O過程的能量釋放代謝途徑概述新陳代謝中的主要化學反應 氧化還原反應通常由脫氫酶和氧化酶催化。 如： C-C鍵的形成和斷裂是分解代謝與合成代謝的基礎(chǔ)反應過程。如合成代謝中的C-C鍵的形成涉及到親核的負碳離子對親電的正碳離子的進攻。 分子重排、異構(gòu)化和消除反應 如分子重排： 消除反應： 基團轉(zhuǎn)移反應主要包括?；?、糖基、磷酸基等的轉(zhuǎn)移。常表現(xiàn)為親電子基團（如A）從從一個親核體（如X?）轉(zhuǎn)移到另一個親核體（如Y? ）。 如： 第二節(jié) 新陳代謝的調(diào)控及研究方法 新陳代謝的調(diào)控包括（1）分子水平酶水平的調(diào)控；（2

3、）細胞水平的調(diào)控；（3）整體水平的調(diào)控。酶水平的調(diào)控 包括酶活性的調(diào)控、酶濃度的調(diào)控和酶水平的其他方面的調(diào)節(jié) 酶活性的調(diào)控常見方式有變構(gòu)調(diào)節(jié)（別構(gòu)酶多為代謝途徑的第一、二個酶或分支點處的酶）、共價調(diào)節(jié)（有磷酸化/去磷酸化、腺苷酰化/脫腺苷?；?，前者在信號轉(zhuǎn)導途徑中最常見，后者是細菌中的另一種重要方式)。特點：調(diào)節(jié)酶活性的大小或有無，調(diào)節(jié)快速、靈敏，屬細調(diào)。 酶濃度的調(diào)控包括合成調(diào)節(jié)（涉及到基因表達調(diào)控）和降解調(diào)節(jié)兩類。特點：調(diào)節(jié)酶數(shù)量的增減，屬粗調(diào)。 酶水平的其他方面的調(diào)節(jié)包括酶的組織形式調(diào)控（游離狀態(tài)、多酶復合物、膜上的有序分布等不同的組織形式使得代謝速率可有較大差別）和相反途徑的協(xié)同調(diào)控

4、（即一條途徑的激活加速必然伴隨另一條相反途徑的減慢和關(guān)閉）酶活性的變構(gòu)調(diào)節(jié) 前饋和反饋代謝（中間）底物對代謝（中間）產(chǎn)物的效應稱為前饋；代謝產(chǎn)物對前面的代謝（起始或分支點處）底物的效應稱為反饋。如效應為正，使代謝速度 ，則稱為激活，反之稱為抑制。反饋抑制是最常見的形式。 反饋抑制的常見類型 線形通路的反饋抑制 逐步反饋抑制 同功酶的調(diào)節(jié) 協(xié)同反饋抑制 舉例： 天冬氨酸代謝的同功酶調(diào)節(jié)酶活性的共價調(diào)節(jié) 定義：指被修飾酶的特定氨基酸殘基在酶催化下發(fā)生可逆共價修飾，從而改變酶活性的調(diào)節(jié)作用。又稱為酶的化學修飾。主要有磷酸化/脫磷酸（最常見）、乙酰化/脫乙酰、腺苷化/脫腺苷、甲基化/脫甲基。蛋白激酶的

5、調(diào)節(jié)作用指由于細胞內(nèi)膜系統(tǒng)的分隔形成的不同區(qū)域（線粒體、葉綠體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、細胞核、溶酶體等）而使得不同代謝過程可以在不同的亞細胞結(jié)構(gòu)區(qū)域中有條不紊的進行。代謝的調(diào)節(jié)在分隔中進行，并與細胞整體的生命活動保持協(xié)調(diào)。這對于細胞的正常的生命活動過程非常必要。 舉例 胞液：糖酵解途徑、脂肪酸合成 線粒體：三羧酸循環(huán)、呼吸鏈、 -氧化 葉綠體：光合作用 細胞水平的調(diào)節(jié)代謝途徑的形式a. 自由擴散（氨基酸合成） b. 膜上進行（三羧酸循環(huán)） c. 多酶復合物（脂肪酸合成）整體水平的調(diào)節(jié) 主要指由激素和神經(jīng)介質(zhì)引起的對生物體的整體調(diào)節(jié)作用，包括細胞間、細胞內(nèi)的調(diào)節(jié)過程等。已在激素和細胞信號轉(zhuǎn)導一章中介紹。第九章

6、第九章 糖代謝糖代謝 第一節(jié) 糖酵解（EMP） 第二節(jié) 葡萄糖異生作用 第三節(jié) 檸檬酸循環(huán)（TCA循環(huán)） 第四節(jié) 磷酸戊糖途徑（PPP） 第五節(jié) 糖原的代謝糖酵解 定義指一分子葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)?分子丙酮酸的一系列酶促反應過程。（廣義概念） 代謝途徑反應主要分為途經(jīng)的第一階段（5步反應，1分子葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)?分子的甘油醛-3-磷酸。特點：需能過程，消耗2分子ATP）、途經(jīng)的第二階段（5步反應， 2分子甘油醛-3-磷酸2分子丙酮酸。特點：放能過程，生成4分子ATP）。 總反應式： 葡萄糖+2ADP+2Pi+2NAD+ 2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H+2H2O 丙酮酸的去向包括（1）有氧條件下，轉(zhuǎn)化

7、為乙酰CoA，進入TCA循環(huán)或用于其它大分子物質(zhì)的合成反應；（2）無氧條件下，進行發(fā)酵，產(chǎn)物多種，取決于生物類型等。糖酵解途徑糖酵解途徑（1）糖酵解途徑（2）肝臟種G-6-P的中心作用糖酵解的調(diào)控 糖酵解的調(diào)控位點有三個：己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶。 己糖激酶/葡萄糖激酶肌肉細胞中己糖激酶受G-6-P的反饋抑制，肝細胞中葡萄糖激酶無此反饋抑制，但受血糖水平調(diào)控。此外，長鏈脂酰CoA（別構(gòu)抑制）。 磷酸果糖激酶（PFK）PFK1催化G-6-P1,6-FBP，是EMP的限速酶，調(diào)節(jié)物：ATP（高濃度）和檸檬酸，AMP、ADP和2,6-FBP。 丙酮酸激酶有同工酶。（1）別構(gòu)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)物：AT

8、P、乙酰CoA和長鏈脂肪酸（對所有形式的同工酶）， 2,6-FBP；（2）共價調(diào)節(jié) 肝細胞的丙酮酸激酶（L型）受磷酸化調(diào)節(jié)，血糖胰高血糖素cAMPPKA丙酮酸激酶（L型）磷酸化失活EMP，糖異生。丙酮酸激酶（L型）去磷酸化酶活 EMP。糖酵解途徑的調(diào)控胰高血糖素（胰高血糖素（GlucagonGlucagon）對肝臟糖酵解的效應）對肝臟糖酵解的效應磷酸果糖激酶(PFK)調(diào)控位點（1）糖酵解的生理意義 EMP是單糖分解代謝的一條最重要的基本途徑。 EMP能提供能量使機體或組織有效地適應缺氧情況。 EMP是在正常氧供應情況下，某些組織或細胞的主要獲能方式。如無線粒體的紅細胞，代謝活躍的白細胞和骨髓細

9、胞。 EMP是葡萄糖完全氧化分解成二氧化碳和水的必要準備階段。糖異生與糖酵解的比較（左）糖酵解；（右）糖異生糖異生中除了要繞過糖酵解中的三步不可逆反應外，其余都是糖酵解的可逆反應。糖異生中的三步不可逆反應過程是：（1）丙酮酸羧化酶和PEP羧激酶協(xié)同完成丙酮酸草酰乙酸 PEP（2）果糖-1,6-二磷酸酶催化1,6-FDP F-6-P（3）葡萄糖-6-磷酸酶催化G-6-P G糖異生（2丙酮酸G）的能量消耗：6個高能鍵。不同起始底物的糖異生的能量消耗隨經(jīng)過的代謝途徑的差異而不同。糖異生途徑糖異生作用與糖酵解的協(xié)同調(diào)控糖異生作用與糖酵解的協(xié)同調(diào)控 EMP 糖異生 ，反之亦然。兩條途徑是通過三個不可逆反

10、應的調(diào)節(jié)酶的調(diào)節(jié)（見前述）進行的。此外2,6-FDP參與調(diào)控。 2,6-FDP參與的調(diào)控機制 PFK-1催化EMP中的F-6-P1,6-FDP，PFK-2則催化F-6-P2,6-FDP。2,6-FDPPFK-1和EMP ，F(xiàn)BPase-1和糖異生 。 FBPase-1催化1,6-FDPF-6-P，而FBPase-2催化2,6-FDPF-6-P。 PFK-2+ATPFBPase-2+ADP，cAMP-PK激活正向反應。 血糖 胰高血糖素 FBPase-2 2,6-FDP PFK-1和EMP ，糖異生 血糖 ； 血糖 胰島素 蛋白的脫磷酸 PFK-2 2,6-FDP PFK-1和EMP ，糖異生

11、血糖 。肝臟中糖酵解和糖異生的調(diào)控肝臟中糖酵解和糖異生的調(diào)控丙酮酸的去路丙酮酸的去路 無氧條件下丙酮酸的去路 1. 生成乳酸 乳酸脫氫酶催化丙酮酸乳酸，需一分子NADPH+H+ 2. 生成乙醇 丙酮酸乙醛乙醇，分別由丙酮酸脫羧酶、乙醇脫氫酶催化，需一分子NADPH+H+ 此外，隨微生物菌株和營養(yǎng)環(huán)境條件的不同，厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物還有多種。如丙二醇、乙酸、甘油、丁醇、丁酸、異丙醇等。 有氧條件下的丙酮酸的去路 生成乙酰輔酶A，進入TCA循環(huán)丙酮酸脫氫酶復合物E1:丙酮酸脫氫酶 E2:二氫硫辛酰轉(zhuǎn)乙酰基酶 E3:二氫硫辛酰脫氫酶丙酮酸脫氫酶復合物E1:丙酮酸脫氫酶 E2:二氫硫辛酰轉(zhuǎn)乙酰基酶 E3:二

12、氫硫辛酰脫氫酶丙酮酸脫氫酶的調(diào)控 1. 別構(gòu)調(diào)節(jié)ATP、NADH、乙酰CoA和脂肪酸， AMP、coASH和NAD(+)。 2. 共價調(diào)節(jié)酶的脫磷酸化為活性態(tài)，酶的磷酸化為失活態(tài)，相互轉(zhuǎn)變由特定的蛋白激酶控制。丙酮酸脫氫酶復合物的調(diào)控（1）丙酮酸脫氫酶復合物的調(diào)控（2）TCATCA循環(huán)循環(huán)三羧酸循環(huán)中加入的三羧酸循環(huán)中加入的2C2C單位的命單位的命運運三羧酸循環(huán)的調(diào)控 三羧酸循環(huán)的調(diào)節(jié)主要體現(xiàn)在兩個水平上： 1. 底物的可用性調(diào)節(jié)乙酰CoA水平對丙酮酸氧化和TCA循環(huán)都有重要調(diào)控作用。草酰乙酸的水平對TCA循環(huán)的速度也有重要影響。 2. 乙酰CoA進入檸檬酸循環(huán)的調(diào)節(jié)取決于三羧酸循環(huán)的三個調(diào)節(jié)

13、酶：（1）檸檬酸合酶檸檬酸、ATP、NADH和琥珀酰CoA，ADP。（2.）異檸檬酸脫氫酶ATP、NADH，ADP和Ca2+。（3） 酮戊二酸脫氫酶琥珀酰CoA和NADH，Ca2+。E.Coli異檸檬酸脫氫酶的共價修飾調(diào)節(jié)TCA循環(huán)的調(diào)控 表示激活 表示抑制 表示反饋三羧酸循環(huán)的生理意義 1. TCA循環(huán)是生物機體獲得能量的主要途徑； 2. TCA循環(huán)是有機物質(zhì)完全氧化的共同途徑； 3. TCA循環(huán)是分解代謝和合成代謝途徑的樞紐； 4. TCA循環(huán)產(chǎn)生的CO2，其中一部分排出體外， 其余部分供機體生物合成需要。葡萄糖代謝的能量（ATP）生成TCA循環(huán)的回補反應 當TCA循環(huán)的中間產(chǎn)物被抽走用于

14、其它物質(zhì)的合成時，為了保證TCA循環(huán)的正常進行，必須通過其他反應來補充中間產(chǎn)物的消耗，這些反應被稱為回補反應。回補反應的常見類型有： 1. 丙酮酸羧化生成草酰乙酸 丙酮酸+ATP+CO2+H2O草酰乙酸+Pi+ADP 丙酮酸羧化酶催化，乙酰CoA。 2. 磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）羧化生成草酰乙酸 PEP+CO2+GDP草酰乙酸+GTP PEP羧激酶催化該反應 3. 丙酮酸羧化生成蘋果酸 丙酮酸+CO2+NADPH+H(+) 蘋果酸+NADP(+) 蘋果酸酶催化 該反應 4. PEP羧化生成草酰乙酸 PEP+CO2+H2O草酰乙酸+Pi PEP羧化酶催化該反應 5. 氨基酸降解產(chǎn)生的碳架（-酮

15、戊二酸、草酰乙酸、丙酮酸）可回補 TCA循環(huán)。三羧酸循環(huán)是中心代謝途徑三羧酸循環(huán)是中心代謝途徑TCA循環(huán)于其它代謝的關(guān)系發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)中的代謝調(diào)節(jié)控制 發(fā)酵的代謝調(diào)節(jié) 1自然發(fā)酵和代謝調(diào)節(jié)的發(fā)酵 2發(fā)酵的代謝調(diào)節(jié)思路 檸檬酸發(fā)酵原理 1阻斷順烏頭酸酶的催化反應 使用以順烏頭酸酶為靶點的抑制劑 通過誘變造成生產(chǎn)菌種順烏頭酸酶 缺失或活力很低 2強化草酰乙酸回補途徑發(fā)酵的代謝調(diào)節(jié)思路 選育出相關(guān)代謝途徑旺盛的菌種 設(shè)法阻斷代謝途徑，使所要求的中間產(chǎn)物 不能進一步反應而實現(xiàn)積累。（如酶活抑制或菌種誘變成營養(yǎng)缺陷型） 必須有適當?shù)?補充機制，以滿足代謝活動的最低需求，維持細胞生長，才能維持發(fā)酵持續(xù)進行。

16、乙醛酸循環(huán)乙醛酸循環(huán)TCA循環(huán)與其它代謝途徑的關(guān)系磷酸戊糖途徑（PPP）PPP的調(diào)控6-磷酸葡萄糖脫氫酶是該途徑的限速酶，NADP+激活該酶，即NADP+/NADPH比值該酶酶活磷酸戊糖途徑（磷酸戊糖途徑（PPP） PPP的發(fā)生場所：脂肪組織、乳腺、腎上腺、紅細胞等的細胞胞漿中。 PPP的反應歷程 PPP的生理意義 1. PPP是細胞產(chǎn)生還原力NADPH的主要途徑 NADPH作為供氫體，主要參與合成代謝的反應，此外還參與保護細胞和某些蛋白的巰基，防止H2O2和超氧自由基對細胞的損傷。 2. PPP為DNA、RNA和多種輔酶的合成提供5-磷酸核糖，也為氨基酸的合成提供4-磷酸赤蘚糖。磷酸戊糖途徑

17、（PPP）糖原降解 需要糖原磷酸化酶（降解從非還原端開始）、脫支酶和磷酸葡萄糖變位酶（G-1-PG-6-P）。終產(chǎn)物是G-6-P 。 糖原磷酸化酶為途徑的調(diào)節(jié)酶。其別構(gòu)激活劑是AMP，別構(gòu)抑制劑是ATP和G-6-P。在共價調(diào)節(jié)中，其磷酸化狀態(tài)是活性態(tài)，非磷酸化狀態(tài)是無活性態(tài)。 淀粉磷酸解時需要的酶是淀粉磷酸化酶（降解從非還原端開始） 、轉(zhuǎn)移酶與脫支酶，降解從非還原端開始，終產(chǎn)物是G-1-P。 淀粉水解需要淀粉酶（ -淀粉酶作用于淀粉或糖原內(nèi)部的 -1,4-糖苷鍵； -淀粉酶從淀粉的非還原端開始水解，釋放出麥芽糖）、脫支酶和麥芽糖酶，終產(chǎn)物是G。糖原合成 單糖的活化形式：NDP-單糖（糖原或淀粉

18、合成中常用UDPG） 合成引物：糖原引物連接在糖原蛋白上 糖元合成需要糖原合酶、UDP-葡萄糖焦磷酸化酶、糖原分支酶。糖原合酶是調(diào)節(jié)酶糖元合成與降解的協(xié)同調(diào)控 糖原磷酸化酶和糖原合酶分別是糖原合成與降解兩條途徑的限速酶。兩者的協(xié)同調(diào)控維持了血糖水平的穩(wěn)定，協(xié)同調(diào)控體現(xiàn)在兩方面： （1）糖原磷酸化酶和糖原合酶的別構(gòu)調(diào)節(jié) G和G-6-P是兩種酶的別構(gòu)抑制劑，在激活糖原合酶的同時也抑制糖原磷酸化酶，對兩條途徑進行相反的調(diào)節(jié)。 （2）磷酸化/脫磷酸化對糖原磷酸化酶和糖原合酶的協(xié)同調(diào)控 a）磷酸化調(diào)節(jié)磷酸化作用使無活性的糖原磷酸化酶b轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘奶窃姿峄竌，而使有活性的糖原合酶a轉(zhuǎn)變?yōu)闊o活性的糖原

19、合酶b。（胰高血糖素和腎上腺素cAMPPKAPKA信號轉(zhuǎn)導途徑） b）脫磷酸化調(diào)節(jié)磷酸蛋白磷酸酶1可催化糖原合酶、糖原磷酸化酶和磷酸化酶b激酶的脫磷酸化，使糖原合酶被激活，而糖原磷酸化酶和磷酸化酶b激酶被抑制，導致糖原合成途徑開啟，糖原降解途徑關(guān)閉。肝臟中葡萄糖對糖原降解的調(diào)控作用肝臟中糖酵解和糖異生的調(diào)控糖原磷酸化酶的激活與糖原合成酶的失活糖原合成酶的激活與糖原磷酸化酶的失活糖原磷酸化酶的結(jié)構(gòu)糖酵解 定義指一分子葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)?分子丙酮酸的一系列酶促反應過程。（廣義概念） 代謝途徑反應主要分為途經(jīng)的第一階段（5步反應，1分子葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)?分子的甘油醛-3-磷酸。特點：需能過程，消耗2分子ATP）、途經(jīng)的第二階段（5步反應， 2分子甘油醛-3-磷酸2分子丙酮酸。特點：放能過程，生成4分子ATP）。 總反應式： 葡萄糖+2ADP