糖及糖代谢 Carbohydrates & Carbohydrates Metabolism 宋潇达 2014.11

上节课内容概述： 糖化学： 糖定义，分类，二糖，多糖 多糖和低聚糖的酶促降解 糖酵解： 部位，无氧，总反应 所有的反应:葡萄糖 6磷酸葡萄糖 6磷酸果糖 1,6二磷酸果糖 磷酸二羟丙酮和 3磷酸甘油醛 互换为3磷酸甘油醛 1，3二磷酸甘油酸 3磷酸甘油酸 2磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 调控部位 己糖激酶（葡萄糖激酶） 6磷酸果糖抑制 果糖磷酸激酶 ATP，柠檬酸抑制，H+抑制 丙酮酸激酶 ATP，丙氨酸抑制

目录 Section 1. 总览 Section 2. 糖类和糖生物学 Section 3. 糖代谢 Section 4. 糖原代谢 糖酵解 三羧酸循环 戊糖磷酸途径 糖异生 好复杂，我看也醉了。不用担心! 目录

Section 3.2 三羧酸循环 细胞膜 三羧酸循环 NADH ATP 1953诺贝尔奖 生物氧化 淀粉 乙酰辅酶A 核糖-5-磷酸 蛋白酶消化 乙酰辅酶A 核糖-5-磷酸 葡萄糖 吸收 戊糖磷酸途径 丙酮酸 乙醇 线粒体膜 糖异生 糖酵解 非糖前体 乳酸 丙酮酸 甘油 葡萄糖 乳酸 分解 合成 糖原

Section 3.2 三羧酸循环 三羧酸循环（TCA Cycle）也称为柠檬酸循环（Citric acids cycle），Krebs循环（Krebs Cycle） 三羧酸循环的发现： If citrate is added the rates of respiration is often increased…the extra oxygen uptake is by far greater than can be accounted for by the complete oxidation of citrate… Since citric acids reacts catalytically in the tissue it is probable that it is removed by a primary reaction but regenerated by a subsequent reaction. ------ H.A.Krebs article in Enzymologia 1937 Hans. Adolf. Krebs 1900-1981 1953年诺贝尔奖得主

发现实验： 历史背景： 葡萄糖 1897 1940 1948 丙酮酸 NADH 生物氧化 1933 三羧酸循环 ATP 乙酰辅酶A 1936 糖酵解 历史背景： 葡萄糖 1897 1940 1948 丙酮酸 NADH 生物氧化 1933 三羧酸循环 ATP 乙酰辅酶A 1936 1945 CO2 1935年发现 Succinate Fumarate L-Malate Oxaloacetate 琥珀酸 富马酸 L-苹果酸 草酰乙酸 延胡索酸

1935年后期发现 Citrate cis-Aconitate Isocitrate α-Ketoglutarate Succinate 柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸 α-酮戊二酸 琥珀酸 1936年 Krebs受到化学反应的启发 草酰乙酸

三羧酸循环 NADH ATP 生物氧化 大量ATP 脂肪酸代谢 乙酰辅酶A 氨基酸代谢 线粒体膜 丙酮酸 胞质 葡萄糖 葡萄糖的有氧分解：从葡萄糖到丙酮酸经三羧酸循环（TCA），彻底氧化生成CO2、H2O和释放大量能量的过程。 ⌘ 丙酮酸降解为CO2, 产生一些ATP ⌘ 大量产生NADH ⌘ NADH通过氧化磷酸化产生更多的ATP

⌘ 丙酮酸脱氢酶复合体使用 TPP(硫胺素焦磷酸), lipoic acid(硫辛酸), FAD ⌘ 丙酮酸脱氢酶复合体由三种酶组成 ΔG’°= -33.4 kJ/mol ⌘ 从丙酮酸氧化脱羧形成丙酮酸乙酰辅酶A ⌘ 丙酮酸脱氢酶复合体使用 TPP(硫胺素焦磷酸), lipoic acid(硫辛酸), FAD ⌘ 丙酮酸脱氢酶复合体由三种酶组成 E1: 丙酮酸脱羧酶 E2: 二氢硫辛酰转乙酰酶 E3: 二氢硫辛酰脱氢酶

E21eaa 1lac 丙酮酸脱氢酶复合体电镜下 观测照片，显示亚基的结构 E31ebd E11w85 丙酮酸脱氢酶复合体晶体结构， NMR模拟拼合图。柔性链无法做结晶。

结构基础 氧化型 还原型 乙酰化型 硫辛酸 E2的赖氨酸

作用机理 1. 丙酮酸脱羧产生CO2 生成HETPP 2. HETPP转移到硫辛酸 形成乙酰化硫辛酸 3. 乙酰化硫辛酸转移 到辅酶A 3 1 2 E1: 丙酮酸脱羧酶 E3: 二氢硫辛酰脱氢酶 E2: 二氢硫辛酰转乙酰酶

砷化物的毒性 无机砷，砷酸，砒霜 有机砷，化学武器，路易斯气 解毒剂：二巯基丙醇 胂凡钠明

三羧酸循环:1. 乙酰辅酶A与草酰乙酸生成柠檬酸 柠檬酸合酶 草酰乙酸 乙酰辅酶A 柠檬酸 ⌘ 诱导契合机理 ⌘ 草酰乙酸先于酶结合，诱导产生构象变化,产生第二个结合底物（乙酰辅酶A）位点。当柠檬酸乙酰辅酶A形成时，酶再次发生构象变化，Asp残基水解柠檬酸乙酰辅酶A上硫酯，产生柠檬酸。 ⌘ 这个机理有助于减少非反应时乙酰辅酶A中硫酯的降解。

柠檬酸合酶机理 草酰乙酸 乙酰辅酶A 结合位点 柠檬酸 结合位点 PDB entry 1cts PDB entry 2cts ASP 375 柠檬酸 中间体 乙酰辅酶A

⌘ 2-R,3-S,氟柠檬酸和柠檬酸竞争顺乌头酸酶，抑制三羧酸循环，导致人死亡。 应用：早期毒鼠药 含氟乙酰胺 柠檬酸合酶与氟乙酸 乙酰辅酶合成酶 柠檬酸合酶 2-R,3-S,氟柠檬酸 ⌘ 2-R,3-S,氟柠檬酸和柠檬酸竞争顺乌头酸酶，抑制三羧酸循环，导致人死亡。 应用：早期毒鼠药 含氟乙酰胺 民间自行配制的毒鼠药：如一步倒、一扫光、王中王，均含有氟乙酰胺

氟乙酸钠 氟乙酸酯 氟乙酰胺 氟代偶数脂肪酸（考题） 氟乙酰胺中毒： 特效解毒剂 解氟灵（乙酰胺） 问： 氟乙酸钠，氟乙酸酯中毒，解氟灵有疗效否？ 解毒药：乙二醇乙酸酯 乙醇，乙酸注射 甲醇中毒的机理是甲醇被乙醇脱氢酶代谢为甲醛，问如何设计甲醇的解毒药？

★ 在pH=7.4，25摄氏度情况下，平衡中异柠檬酸的含量只有10%， 为什么反应拉向右边？ 第二步：柠檬酸生成异柠檬酸 乌头酸酶 乌头酸酶 柠檬酸 2R,3S异柠檬酸 ΔG’°= 13.3 kJ/mol ★ 在pH=7.4，25摄氏度情况下，平衡中异柠檬酸的含量只有10%， 为什么反应拉向右边？ ★ 柠檬酸和异柠檬酸各自是否有对应异构体？为什么？

同位素标记实验 ✔ ✔ 检出 ✗ ✗ 柠檬酸 未检出 异柠檬酸

前手性（Prochiral） sp2碳的前手性 柠檬酸的生成 sp3碳的前手性 柠檬酸和酶的结合

Moonlighting Proteins Moonlighting Proteins：proteins lead double lives, performing two entirely different functions. 视黄醛脱氢酶 调控维甲酸 水晶体吸收 Cytochrome c a. b. 程序性细胞死亡(凋亡) 3. Phosphoglucose isomerase b. 细胞间信使, 细胞分化和成熟的调控因子 2 3 1

顺乌头酸酶对细胞内铁的调控 Ferritin的mRNA 转录 Ferritin蛋白

⌘ 经典的NAD+ chemistry，氧化脱羧，产生NADH 异柠檬酸脱氢产生酮戊二酸 异柠檬酸 酮戊二酸 异柠檬酸脱氢酶 ⌘ 经典的NAD+ chemistry，氧化脱羧，产生NADH

酮戊二酸氧化形成琥珀酸乙酰辅酶A 酮戊二酸 琥珀酸乙酰辅酶A ⌘ 与丙酮酸脱氢酶复合体很类似 ⌘ 第二个氧化脱羧反应 酮戊二酸脱氢酶复合体 酮戊二酸 琥珀酸乙酰辅酶A ⌘ 与丙酮酸脱氢酶复合体很类似 ⌘ 第二个氧化脱羧反应 ⌘ 伴随着NADH的产生 ⌘ 同样为砷化物作用位点 （在线粒体胞质中产生NADPH）

底物水平磷酸化产生琥珀酸 琥珀酸乙酰辅酶A 琥珀酸 ⌘ 底物水平的磷酸化，产生GTP或ATP ⌘ 水解硫酯能量驱动产生ATP ⌘ 磷酸组氨酸的机理

琥珀酸乙酰辅酶A合酶机理

⌘ 产生FADH2，直接进入生物氧化（传递给UQ） 琥珀酸氧化为富马酸 琥珀酸脱氢酶 琥珀酸 富马酸 ⌘ 前面遇见过，生物氧化中的复合体II ⌘ 三羧酸循环中唯一一个结合在膜上的酶 ⌘ 产生FADH2，直接进入生物氧化（传递给UQ）

富马酸加水形成苹果酸 富马酸酶 富马酸 L-苹果酸 ⌘ 水对双键顺式加成 ⌘ 高度的立体选择性

吴梧桐教授生产苹果酸的方法 90年代药大生科院的杰出项目

马来酸脱氢酶 L-苹果酸 草酰乙酸 ⌘ 上一步接受羟基的碳原子被氧化成酮 ⌘ 第三处产生NADH的位点

Acetyl-CoA+3NAD＋+FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3NADH+FADH2+GTP+2H＋+CoA 总反应： Acetyl-CoA+3NAD＋+FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3NADH+FADH2+GTP+2H＋+CoA 产生部位，反应 ⌘ 底物水平磷酸化 GTP（ATP） ⌘ 三处NADH的产生 ⌘ FADH2的产生 ⌘ CO2的产生 ⌘ 乙酰辅酶A中乙酰基碳原子以CO2形式离去（羰基碳在第二轮离去，甲基碳在二轮内离去） 三羧酸循环的意义 ⌘ 产生GTP（ATP），NADH ⌘ 产生生物合成前体 ⌘ 产生CO2 ⌘ 糖类，脂肪，氨基酸的最终代谢 ⌘ 中间体调控总代谢

糖酵解，三羧酸循环的能量计算 P228

三羧酸循环的调控

Section 3.3 戊糖磷酸途径 细胞膜 三羧酸循环 NADH ATP 生物氧化 淀粉 乙酰辅酶A 核糖-5-磷酸 葡萄糖 丙酮酸 乙醇 蛋白酶消化 乙酰辅酶A 核糖-5-磷酸 葡萄糖 吸收 戊糖磷酸途径 丙酮酸 乙醇 线粒体膜 糖异生 糖酵解 非糖前体 乳酸 丙酮酸 甘油 葡萄糖 乳酸 分解 合成 糖原

Section 3.3 戊糖磷酸途径 体内的货币 能量货币：ATP 第二货币：还原货币，NADPH

NADH和NADPH 细胞内: [NAD+]/[NADH] ≈ 1000 [NADP+]/[NADPH] ≈ 0.01 葡萄糖分解代谢：氧化 脂肪合成，甾体合成代谢：还原 ⌘ 在代谢过程中不会有交互作用 ⌘ NADH 参与能量代谢途径产生ATP NADPH参与还原性生物合成 ⌘ NADPH的合成是来源于戊糖磷酸途径

戊糖磷酸途径 overall reaction 3G6P + 6NADP + + 3H2O 6NADPH + 6H+ + 3CO2 + 2F6P + GAP 甘油三磷酸 1. Oxidative reactions 3G6P + 6NADP + + 3H2O 6NADPH + 6H+ + 3CO2 + 3Ru5P 2. Isomerization and epimerization reactions 3Ru5P R5P + 2Xu5P 可逆反应 按细胞需求 3. A series of C¬C bond cleavage and formation reactions R5P + 2Xu5P 2F6P + GAP

1. Oxidative reactions ⌘ 30% of the glucose oxidation in liver occurs via the pentose phosphate pathway. ⌘ 肌肉中没有，肌肉核糖几乎不自己合成

反应一：氧化部分 ⌘ 被NADPH强烈抑制

⌘ 产物容易被易构化 ⌘ 类似三羧酸循环中的异柠檬酸脱氢酶

反应二：非氧化部分

⌘ 肿瘤细胞70%的核糖合成是通过戊糖磷酸途径 ⌘ 戊糖磷酸途径在细胞浆中进行 ⌘ NADPH 的产生是由第一步所控制glucose-6-phosphate dehydrogenase ⌘ 酶的活性由NADP+调控

谷胱甘肽

⌘ NADPH 在快速分裂生长细胞（如胚胎细胞）中尤其重要，为什么？

蚕豆病：G6PD （Glucose-6-phosphate dehydrogenase Deficiency） 病理学数据： 出现人群：非洲，地中海附近，亚洲。10%的黑人，65%的犹太人 症状：吃蚕豆，注射奎宁类药物就跪 G6PD 的活性为正常酶的10% 相关性：其分布与疟疾分布区域相关 抗疟疾机理：疟原虫在胚胎裂殖期需要大量宿主的NADPH，G6PD的戊糖磷酸途径效率低下，疟原虫感觉生长无望，不爽就挂了。

请大家回去复习上过内容，以及预习糖原代谢和糖异生部分。 谢谢！