糖代谢

第九章糖代谢
1.代谢简介（motabolism）；
2.糖酵解（glycolysis）
3.无氧发酵（fermentation）
4.糖的来源途径-糖原的降解
1.Introduction to Metabolism
1.1. 热力学第二定律的生物学意义:
•宇宙或系统的各种过程总
是向着熵增大的方向进行
•有机体的组成与其环境存
在着巨大的不平衡
•有机体必需不断消耗能量
以对抗熵(entrophy)(降
解，死亡，腐烂)
1.2. 有机体通过新陈代谢维持内环境恒定(homeostasis)
1.2.1 代谢(motabolism)包括合成代谢和分解代谢Catabolism(分解代谢，异化作用): 产生能量Anabolism (合成代谢，同化作用)
：消耗能量
代谢是指生物体内所有化学反应的总和。

包括：
1.2.2 有机体代谢途径是互相交叉互相关联
的代谢途径就是由一种物质转变为另一
种物质的一系列化学反应的组合。

1.2.3 三种非线性的代谢途径
会聚的分解
代谢途径发散的合成
代谢途径
环状代谢途径
1.3. 能量与代谢
1.生物能量转换遵循热力学定律
2.反应的标准自由能与平衡常数相关
3.反应的自由能依赖于反应物和产物的浓度
O 55.5M, Mg2+ 1mM, 25 C ΔG’°: pH = 7, H
2
1.3. 能量与代谢4.标准自由能是可以加和的
＋D
＋D
1.3.1 ATP水解与细胞内吸热反应偶联而改变吸热反应的平衡
[ATP] [ADP][Pi]≈500M-1
细胞内，通常：
1.3.2 ATP水解是高度放能的
•共振稳定；
•电荷排斥；
•水化稳定；
高能磷酸键
1.3.3 不同细胞具有不同的磷酸化能力
通常，细胞内的ΔG p约为-50 to -65 kJ/mol，>ΔG’º. ΔG
被称为细胞的磷酸化能力。

p
1.3.4 ATP是细胞内的能量通货ATP水解所释放的能量提供动力：
1.机械运动（个体、细
胞、细胞器）
2.物质的跨膜运输
3.合成代谢
1.3.5 其它高能磷酸化合物磷酸烯醇
式丙酮酸
1,3-二磷
酸甘油酸
磷酸肌醇
6-磷酸葡
萄糖
甘油磷酸
The devil is
in the detail
通过基团转移
实现吸热反应
与ATP的放能
反应的耦连
1.3.7 细胞内磷酸基团可在核苷酸间转移GTP, UTP, CTP;
dATP, dGTP, dTTP, dCTP;
are energetically equivalent to ATP Nucleoside diphosphate kinase
2.糖酵解Glycolysis
2.1.葡萄糖在新陈代谢中占据着中心地位
1. 提供能量: ΔG
= -2,840kJ/mol
通常以淀粉或
糖原的形式储存:
low osmolarity 2. 提供物质合成
的前体in E.coli: 可作为唯
一的C 源
核糖-5-磷酸丙酮酸
戊糖磷酸途径糖酵解糖原降解与合成
糖异生
2.2. GLYCOLYSIS(糖酵解) Glycolysis:
One glucose(葡萄糖)is
degraded to two
pyruvate(丙酮酸), the
energy is conserved in
ATP and NADH
糖酵解可分为两
个阶段：
准备阶段
产能阶段
Glucose ＋2NAD＋＋2ADP＋2Pi
2 pyruvate＋2NADH ＋2H＋＋2ATP ＋2H2O Glucose＋2NAD＋ 2 pyruvate ＋2NADH＋2H＋
2ADP +2Pi 2ATP + 2H2O
ΔG
2
’º＝2(30.5 kJ/mol) = 61.0 kJ/mol
ΔG
1’º=ΔG
1
’º＋ΔG
2
’º=－146 kJ/mol＋61.0 kJ/mol
=－85 kJ/mol
1) 2)
3)ΔG
1
’º= －146 kJ/mol
2.2.1 1个葡萄糖酵解产生2个ATP和2个NADH 在生理条件下，超过60%的能量转化为ATP
2.2.2 准备阶段
Glucose Glyceraldehyde 3-phosphate (3-磷酸甘油醛)
磷酸二羟丙酮
消耗
2 个ATP
2.2.3 产能阶段Glyceraldehyde 3-phosphate (3-磷酸甘油醛)
Pyruvate
(丙酮酸)
产生
4个ATP
2 个NADH
2.2.4 大部分能量仍储存在丙酮酸中糖酵解只提取了葡萄糖完全氧化
所释放能量的~5%(-146kJ/mol out
of -2,840kJ/mol)
2 Pyruvates still contain most of
the chemical energy of the glucose
2.2.5 糖酵解的准备阶段需ATP投入Step1. 葡萄糖的磷酸化
Hexokinase(己糖激酶)
Irreversible(不可逆)
反应高度放能，是不可逆步骤，
是糖代谢的一个调控步骤!!
2.2.6 糖酵解中间物磷酸化的意义
1.磷酸化的中间物无法离开细胞.
2.ATP水解释放的能量部分保留在磷
酸化中间物中，利于反应发生.
3.有助于酶的专一性. ADP or ATP 螯合Mg2+, 大部分催化糖酵解的酶需Mg2+做辅助因子.
2.2.7 己糖激酶需要Mg2+作为辅助因子
葡萄糖与己糖激酶的诱导契合
裂缝的闭合：1）创造了疏水环境，有利于ATP的基团转移；2）赶走了水分子，避免了ATP的无效水解。

思考题：下图的反应在亲水环境下有利还是疏水环境中有利？
2.2.8 第二步:葡萄糖6-磷酸异构化为果糖6-磷酸
己糖磷酸异构酶
(phosphohexose isomerase)
Reversible(可逆)
2.2.8.1异构化反应经过一个烯二醇中间物
烯二醇中间物
Glu-C=O
2.2.9 第三步:果糖-6-磷酸磷酸化为果糖1,6-二磷酸
磷酸果糖激酶-1(PFK-1, phosphofructokinase-1 ) [ATP] or [AMP] activity of PFK-1
不可逆的放热步骤，是糖代谢
的最主要调控步骤!!
2.2.10 第四步：果糖-6-磷酸断裂为磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛
Aldolase(醛缩酶)
The two triose(三糖)phosphates are
removed quickly by the next two steps
Dihydroxyacetone
phosphate(磷酸二羟丙酮)Glyceraldehyde 3-phosphate (3-磷酸甘油醛)
可逆反应
2.2.10.1 醛缩酶反应经
过一个希福氏碱中间物
Class I
aldolases, form
the Schiff base
(希福氏碱)
intermediate;
Class II
aldolases, need
Zn2＋
2.2.10.1 醛缩酶反应经过一个希福氏碱中间物
Aldolase(醛缩酶)and transaldolase(转醛酶)
2.2.11 两个三碳糖可以互相转化
Glyceraldehyde 3-phosphate (3-磷酸甘油醛)
Dihydroxyacetone
phosphate (磷酸二羟丙酮)
Reversible(可逆)
平衡时，96％是
磷酸二羟丙酮
Triose Phosphate Isomerase (TIM)α/βtopology
TIM
barrel
三糖磷酸异构酶(TIM)催化机理
2.2.11.1 葡萄糖的碳原子在3-磷酸甘油醛上的定位
2.2.11.1 葡萄糖的碳原子在3-磷酸甘油醛上的定位
(3-磷酸甘油醛)
2.2.12 糖酵解的产能阶段产生ATP and NADH Step 6. 3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸(1,3-Bisphosphoglycerate，1,3-BPG)
Reversible(可逆)
3-磷酸甘油
1,3-二磷酸甘油酸
醛脱氢酶
酰基磷酸(acyl phosphate)具有很高的水解自由能(ΔG’º= -49.3kJ/mol),即高磷酸基团转移力。

Free-energy profiles of 1,3-BPG formation Oxydation followed by phosphorylation
The two processes must be coupled !
2.2.12.1 3-磷酸甘油醛脱氢酶反应
硫代半缩醛(Thio-hemiacetal)中间物Cells contain limited amount of NAD+
2.2.12.2 碘乙酸(Iodoacetate) 是3-磷酸甘油醛脱氢酶的抑制剂
2.2.12.3 NAD+(烟酰胺)和NADP+是重要的电子载体接受2个电子
和1个H＋；
electron sink
From /.../oloxidationenzymes.html
2.2.14 第七步：磷酸基团从1,3-二磷酸甘油酸转移到ADP形成ATP
磷酸甘油酸激酶(phosphoglycerate kinase)磷酸甘油酸激酶将高能磷酸基团从羰基转移到ADP, 形成ATP和3-磷酸甘油酸
2.2.14.1 底物水平磷酸化(substrate-level phosphorylation)
底物水平磷酸化：底物把其高能
磷酸基团直接转移给ADP生成ATP的方式。

特征：磷酸基团的供体是具有高磷酸基团转移力(phosphoryl-transfer potential)的底物(本例是1,3-二磷酸甘油酸）
2.2.14.2 第六步和第七步由共同的中
间物（1,3-二磷酸甘油酸）偶联起来
3-磷酸甘油醛＋NAD＋＋ADPÆ
3-磷酸甘油酸＋NADH＋ATP
For step 6,ΔG’º= 6.3 kJ/mol
For step 7,ΔG’º= -18.5kJ/mol
Overall ,ΔG’º= -12.2kJ/mol
通过与第七步的偶联，第六步反应的ΔG成为负值。

2.2.15 第八步：3-磷酸甘油酸异构
为2-磷酸甘油酸
磷酸甘油酸变位酶(phosphoglycerate
mutase)：Mg2+is essential
Reversible(可逆)
变位酶催化一个化学基团从一个位置转移
到同一分子的另一个位置。