2020-2021学年高中生物竞赛戊糖磷酸途径和糖的其他代谢途径课件

一、戊糖磷酸途径
(一) 戊糖磷酸途径的发现 (二) 戊糖磷酸途径的主要反应 (三) 戊糖磷酸途径反应速度的调控 (四) 戊糖磷酸途径的生物学意义
(一) 戊糖磷酸途径的发现
戊糖磷酸途径（pentose phosphate pathway）又称 戊糖支路、己糖单磷酸途径（hexose monophosphate pathway），磷酸葡糖酸氧化途径 （phosphogluconate oxidative pathway)及戊糖磷 酸循环（pentose phosphate cycle）等。这些名称 强调的是从磷酸化的六碳糖形成磷酸化的五碳糖。该 途径广泛存在于动、植、微生物体内，是生物体葡萄 糖代谢的另一条途径。
四、乙醛酸途径
有关概念 乙醛酸途径（glyoxylate pathway）又称乙醛酸 循环（glyoxylate cycle）名称来源是因为在这个 途径中经过一系列反应最终产生乙醛酸。这一途径 在动物体内并不存在，主要存在于植物、微生物体 内。它的主要内容实际是通过乙醛酸途径使乙酰CoA 转变为草酰乙酸从而进入柠檬酸循环。
1、葡糖异生作用的途径 2、葡糖异生途径总览 3、由丙酮酸形成葡萄糖的能量消耗及意义 4、葡糖异生作用的调节 5、乳酸的再利用和可立氏循环
1、葡糖异生作用的途径
（1）葡糖异生作用和糖酵解作用的关系 葡糖异生作用并不是糖酵解作用的直接可逆
反应。虽然葡萄糖可由丙酮酸合成，其所经历的 途径绝大部分是糖酵解过程的逆反应，但并不是 糖酵解过程的逆反应。葡糖异生作用在细胞溶胶 中进行。
NADP+/NADPH比值(0.014)直接影响葡萄糖6-磷酸脱氢酶的活性。只要NADP+的浓度稍高于 NADPH，即能够使酶激活从而保证所产生的 NADPH能够及时满足还原性生物合成以及其他方 面的需要。所以说NADP+的水平对戊糖磷酸途径 在氧化阶段产生NADPH的速度和机体在生物合成 时对NADPH的利用形成偶联关系。
若完全走糖酵解的逆反应过程，反应和能量消耗如下：
2丙酮酸 + 2ATP + 2NADH + 2 H2O 葡萄糖 + 2ADP + 2Pi + 2NAD+
2× 1,3-磷酸甘油酸
3-磷酸甘油酸 + ATP
从上述两种不同途径的比较可以看出，由葡萄糖经酵 解途径形成丙酮酸可产生2个ATP分子。由丙酮酸合成葡萄 糖需消耗4个ATP分子和2个GTP分子即6个高能磷酸键。
(四) 戊糖磷酸途径的生物学意义
1、戊糖磷酸途径是细胞产生还原力（NADPH） 的主要途径。
2、磷酸戊糖途径是细胞内不同结构糖分子的重要 来源，并为各种单糖的相互转变提供条件。
二、糖的其他代谢途径
葡糖异生作用（gluconeogenesis）
葡糖异生作用是指以非糖物质（包括乳酸、 丙酮酸、丙酸、甘油以及氨基酸等）作为前体 在肝脏合成葡萄糖的作用。它沿着糖酵解逆向 途径，绕过3个不可逆反应完成。
（2）核酮糖-5-磷酸转变为木酮糖-5-磷酸。催化 反应的酶为磷酸戊糖异构酶。(反应图)
（3）木酮糖-5-磷酸与核糖-5-磷酸作用形成景天 庚酮糖-7-磷酸和甘油醛-3-磷酸。催化反应的酶为 转酮酶。(反应图)
（4）景天庚酮糖-7-磷酸与甘油醛-3-磷酸之间发 生转醛基反应，形成果糖-6-磷酸和赤藓糖-4-磷酸。 催化反应的酶为转醛酶。(反应图)
由上式可看出通过戊糖磷酸途径使1个葡萄 糖-6-磷酸全部氧化为6分子CO2，并产生12个具 有强还原力的分子,即12个NADPH + 12 H+ 。
戊糖代谢的非氧化阶段，全部反应是可逆反 应，这保证了细胞能以极大的灵活性满足自己对 糖代谢中间产物以及大量还原力的需求。
氧化阶段
磷酸戊糖途径总览
非氧化阶段
总算起来，葡糖异生需消耗4个额外高能键，这4个额外 高能键即用于将不可能逆行的过程转变为可以逆行的反应。
葡糖异生意义是：非糖物质（包括乳酸、丙酮酸、丙酸、 甘油以及氨基酸等）可在肝脏转变成葡萄糖，但消耗ATP 要多些，对维持血糖水平有重要作用。
4、葡糖异生作用的调节
糖异生作用和糖酵解作用有密切的相互协调又 相互制约的关系，这种关系主要由两种途径不 同的酶活性和浓度起作用；因每条途径的酶浓 度和活性都是受到调控的。
(pyruvate kinase)
果糖-1，6-二磷酸酶
(fruxtose- 1,6-bisphosphatase)
丙酮酸羧化酶
(pyruvate carboxylase)
磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶
(phosphoenolpyruvate carboxylase)
葡 萄 糖 异 生 途 径 总 览 图
-ATP 己糖激酶 -ATP 磷酸果糖激酶
糖酵解
萄萄糖
2丙酮酸
2个AБайду номын сангаасP
-2ATP
+2ATP
葡糖异生
2丙酮酸
萄萄糖
- 6个ATP
+2ATP 丙酮酸激酶
-2ATP
-2GTP
（线粒体）
3、由丙酮酸形成葡萄糖 的能量消耗及意义
由（糖异生）2分子丙酮酸形成1分子葡萄糖的总反应可用 下式表示：
2丙酮酸+ 4ATP + 2GTP + 2NADH + 6 H2O 葡萄糖 + 4ADP + 2GDP + Pi + 2 NAD+ +2H+
迂回措施之三
葡萄糖-6-磷酸 + H2O
葡萄糖 + Pi
葡萄糖-6-磷酸酶
糖酵解和葡糖异生反应中酶的差异
糖酵解作用
葡糖异生作用
1 己糖激酶
(hexokinase)
葡萄糖-6-磷酸酶
(glucose-6-phosphatase)
2 磷酸果糖激酶
(phosphofructokinase)
3 丙酮酸激酶
第十单元 糖代谢
第22章 第23章 第25章
途径 第26章 第27章
糖酵解作用 柠檬酸循环 戊糖磷酸途径和糖的其他代谢
糖原的分解代谢和生物合成 光合作用
第25章 戊糖磷酸途径和糖的其 他代谢途径
一、戊糖磷酸途径 二、糖的其他代谢途径 --葡糖异生作用 三、葡萄糖出入动物细胞的特殊运载机构 四、乙醛酸途径 五、寡糖类的生物合成和分解
（5）木酮糖-5-磷酸和赤藓糖-4-磷酸作用形成甘 油醛-3-磷酸和果糖-6-磷酸。催化反应的酶为转酮 酶。(反应图)
1
核酮糖-5-磷酸
烯二醇中间物
磷酸戊糖异构酶
核糖-5-磷酸
2
核酮糖-5-磷酸
烯二醇中间物 磷酸戊糖异构酶
木酮糖-5-磷酸
3转酮酶
木酮糖-5-磷酸
核糖-5-磷酸
甘油醛-3-磷酸 景天庚酮糖-7-磷酸
氧化阶段包括三步反应： （3） 6-磷酸葡糖酸在6-磷酸葡糖酸脱氢酶的作用下，形
成核酮糖-5-磷酸。该反应也以NADP+作为辅酶。
6-磷酸葡糖酸脱氢酶
6-磷酸葡糖酸
核酮糖-5-磷酸
2、非氧化阶段
分五步反应：
（1）核酮糖-5-磷酸异构化为核糖-5-磷酸。催化 反应的酶为磷酸戊糖异构酶。(反应图)
一碳单位载体。
应该注意的是，丙酮酸羧化酶是一种线粒体酶，而葡 糖异生作用中导致形成葡萄糖-6-磷酸的其他酶都是细胞 溶胶酶。由丙酮酸羧化形成的草酰乙酸，必须穿过线粒体 膜才能作为磷酸烯醇式丙酮酸激酶的底物被催化形成磷酸 烯醇式丙酮酸。因为细胞不存在直接使草酰乙酸跨膜的运 送蛋白，草酰乙酸通过形成苹果酸的途径跨过线粒体膜， 即苹果酸循环。
一般将其全部反应划分为两个阶段：
氧化阶段(oxidative phace)
非氧化阶段(nonoxidative phace)
1、氧化阶段
这个阶段包括六碳糖脱羧形成五碳糖（核酮糖， ribulose）并使NADP+还原形成还原型NADPH。
1 2
6-磷酸葡萄糖酸-δ-内酯
3
6-磷酸葡糖酸
氧化阶段包括三步反应： （1）葡萄糖-6-磷酸在葡萄糖-6-磷酸脱氢酶的作用下形成
糖酵解作用中有三步反应是不可逆的：
A、由己糖激酶催化的葡萄糖和ATP形成葡萄
糖-6-磷酸和ADP
糖
酵
解
B、由磷酸果糖激酶催化的果糖-6-磷酸和ATP 形成果糖-1，6-磷酸和ADP
C、由丙酮酸激酶催化的磷酸烯醇式丙酮酸和 ADP形成丙酮酸和ATP的反应
葡糖异 生作用利用 糖酵解过程 的可逆反应 必须对以上 3个不可逆 反应采取迂 回措施绕道 而行。
5、乳酸的再利用和可立氏循环
在糖的来源不足时，如饥饿、禁食等情况下，异生作用是维持机体 血糖水平的重要手段，对神经组织、大脑、胎儿尤其重要。
肝脏在氧化来自肌糖原酵解生成的乳酸同时，还可将其转变为葡萄 糖或肝糖原，实现对乳酸的再利用, 称为Coris 循环。
Cori循环 （乳酸循环）
5、乳酸的再利用和可立氏循环
苹果酸循环丙酮酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸线粒体细胞溶胶丙酮酸羧化酶atpgtp磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶迂回措施之二果糖16二磷酸果糖6磷酸pi迂回措施之三葡萄糖6磷酸葡萄糖pi葡萄糖6磷酸酶果糖16二磷酸酶糖酵解作用葡糖异生作用己糖激酶hexokinase葡萄糖6磷酸酶glucose6phosphatase磷酸果糖激酶phosphofructokinase果糖16二磷酸酶fruxtose16bisphosphatase丙酮酸激酶pyruvatekinase丙酮酸羧化酶pyruvatecarboxylase磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶phosphoenolpyruvatecarboxylase2atp己糖激酶磷酸果糖激酶丙酮酸激酶线粒体2gtp2atp2atp2atpatpatp糖酵解2丙酮酸2个atp葡糖异生2丙酮酸6个atp3由丙酮酸形成葡萄糖的能量消耗及意义由糖异生2分子丙酮酸形成1分子葡萄糖的总反应可用下式表示
(二) 戊糖磷酸途径的主要反应
戊糖磷酸途径是糖代谢的第二条重要途径， 它是葡萄糖分解的另外一种机制。这条途径在细 胞溶胶中进行，广泛存在于动植物细胞内。它由 一个循环式的反应体系构成。该反应体系的起始 物为葡萄糖-6-磷酸，经过氧化分解产生五碳糖， CO2、无机磷酸和NADPH。
戊糖磷酸途径的核心反应为： 葡萄糖-6-磷酸 + 2NADP+ + H2O 核糖-5-磷酸 + 2NADPH + 2H+ + CO2
GDP+Pi
延胡索酸
GTP
⑤
柠檬酸循环
琥珀酸 CoASH
异柠檬酸裂合酶
丙酮酸
ATP
线粒体 丙酮酸羧化酶
草酰乙酸
GTP
细胞溶胶 磷酸烯醇式丙酮酸
磷酸烯醇式丙酮酸
羧激酶
在线粒体中形成的草 酰乙酸穿过线粒体；
而是通过形成苹果酸 的途径跨过线粒体膜到细 胞溶胶，即苹果酸循环。
苹果酸循环
迂回措施之二
果糖-1，6-二磷酸 + H2O
果糖-6-磷酸 + Pi
果糖-1，6-二磷酸酶
丙酮酸激酶
（2）葡糖异生作用利用对糖酵解不可逆反应采取的迂回措施 迂回措施之一：
磷酸烯醇式丙酮酸
丙酮酸
丙酮酸通过草酰乙酸形成磷酸烯醇式丙酮酸。 分两步： P155反应式：
第一步：丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下，消耗1个ATP分 子的高能磷酸键形成草酰乙酸。
丙酮酸 + CO2 + ATP + H2O
草酰乙酸+ADP+Pi+ 2H+
6-磷酸葡萄糖酸-δ-内酯。该酯化反应的酶催化过程需要 NADP+作为辅酶。
葡萄糖-6-磷酸脱氢酶
葡萄糖-6-磷酸
6-磷酸葡萄糖酸-δ-内酯
氧化阶段包括三步反应： （2） 6-磷酸葡萄糖酸 -δ-内酯在一个专一的内酯酶作用
下水解，形成6-磷酸葡糖酸。
内酯酶
6-磷酸葡萄糖酸 -δ-内酯
6-磷酸葡糖酸
（1）磷酸果糖激酶（PKF）和果糖-1，6-二磷酸酶的调节 AMP对PKF激活作用，ATP及柠檬酸对PKF起抑制作用
（2）丙酮酸激酶、丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激 酶之间的调节 肝脏中丙酮酸激酶受高浓度ATP和和丙氨酸的抑制。 丙酮酸羧化酶受乙酰-CoA 的激活和ADP的抑制。如果细 胞供能情况不够充分，ADP的浓度升高，丙酮酸羧化酶和 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶都受到抑制。
第二步：草酰乙酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化下， 消耗1个GTP，形成磷酸烯醇式丙酮酸。
草酰乙酸+ GTP
磷酸烯醇式丙酮酸+GDP+ CO2
总反应式如下： 丙酮酸 + ATP + GTP + H2O 磷酸烯醇式丙酮酸 + ADP + GDP + Pi + 2H+ 反应中有生物素作辅酶，接受CO2转变成-COO- ,作为
5+5 5+4
7+3
6+4
6+3
磷
酸
戊
氧
糖
化 阶
段
途
径
总
非 氧
览
化 阶
段
(三)戊糖磷酸途径反应速度的调控(P151)
戊糖磷酸途径氧化阶段的第一步反应，即葡萄糖6-磷酸脱氢酶催化的葡萄糖-6-磷酸的脱氢反应实 质上是不可逆的。在生理条件下属于限速反应 （rate-limiting reaction),是一个重要的调控点。 最重要的调控因子是NADP+的水平。
转醛酶4
景天庚酮糖-7-磷酸 甘油醛-3-磷酸
赤藓糖-4-磷酸
果糖-6-磷酸
转酮酶
5
木酮糖-5-磷酸 赤藓糖-4-磷酸
甘油醛-3-磷酸
果糖-6-磷酸
全部反应式可表示为：
6 G-6-P + 7 H2O+12 NADP+ 6 CO2 + 5G-6-P + 12 NADPH + 12 H+ + Pi
H2O
H2O
柠檬酸循环
①
②
H2O
NADH+H+
NAD+
草酰乙酸
⑧
CoASH
柠檬酸
①柠檬酸合酶 ②顺乌头酸酶 ③异柠檬酸脱氢酶 ④α-酮戊二酸脱氢酶 ⑤琥珀酰CoA合成酶⑥琥珀酸脱氢酶 ⑦延胡索酸酶 ⑧苹果酸脱氢酶
②
顺乌头酸
异柠檬酸
NAD+
苹果酸
⑦
苹果酸合酶
乙醛酸
乙酰-CoA
H2O
FADH2
⑥ FAD