复旦生物化学代谢部分课件-糖代谢2

D-葡萄糖的代谢GlucoseMetabolism糖酵解[Glycolysis]与发酵[Fermentation]•无氧条件下糖的降解过程，糖经一系列的酶促反应变成丙酮酸，并生成ATP，是一切生物细胞中Glc分解产生能量的共同代谢途径，称为酵解途径[Glycolyticpathway]，或称为Embden-Meyerhof-Parnas(EMP)pathway。•厌氧生物（酵母及其他微生物）把酵解中生成的NADH+H+用于还原丙酮酸生成乙醛，进而产生乙醇，称为乙醇（酒精）发酵。•肌肉等组织或微生物在无氧或暂时缺氧条件下，酵解中生成的NADH+H+用于把丙酮酸乳酸，称为乳酸发酵。D-葡萄糖的代谢命运D-Glc在代谢中占有中心地位，葡萄糖含有较高的能量，氧化生成H2O和CO2放出自由能2840kJ/mol；转变成淀粉或糖原贮存又可维持相对低的摩尔渗透压浓度，需要能量时又可分解成葡萄糖氧化供能。葡萄糖不仅仅是一个能量分子，还是一个最常见的前体分子，可为生物合成反应提供中间物，如大肠杆菌可利用葡萄糖及其碳架合成所有的氨基酸、核苷酸、辅酶、脂肪酸和生长所需的各种代谢中间物。葡萄糖有成千上万种转化，高等动植物中主要有三个方向：变成糖元(或淀粉)贮存、酵解为三碳化合物（丙酮酸）或通过HMP（戊糖磷酸途径）变为戊糖。葡萄糖的主要代谢命运酵解(Glycolysis)酵解（Glycolysis，希腊语glykys，意为sweet和lysis)。一分子葡萄糖通过一系列的酶促反应生成2分子丙酮酸，并生成ATP和NADH。是第一个发现和研究得最清楚的生物化学代谢途径，1897年Hans和EdwardBuchner兄弟俩通过发酵的酵母抽提物发现发酵可以在活细胞外进行，否定了LouisPaster统治了近40年的观点，打开了新陈代谢研究之门。1940年GustarEmbden和OttoMeyerhof发现肌肉中存在与酵母细胞一样的不需要氧的糖分解代谢过程—酵解。最终在1941年由FritzLipmann和HermanKalckar完成了对整个代谢途径的研究。EMPPathway可以分为三个阶段：1）Glc磷酸化形成己糖磷酸酯[反应1、2、3]，消耗2ATP，产物为F-1,6-diP。2）磷酸己糖裂解为两分子三碳糖（反应4），由醛缩酶(aldolase)催化，产物为3-P-甘油醛（G-3-P）和磷酸二羟丙酮(DHAP)，断裂在己糖的C3-C4间。3）三碳糖经一系列的反应（反应5--10）生成丙酮酸，其中反应6生成NADH+H+，并生成高能磷酸化合物（1,3-二磷酸甘油酸）；反应7和10生成2ATP（底物水平磷酸化）。有分为两个阶段[代偿]六碳糖分解为2分子丙酮酸需经10步反应，前5步反应为准备阶段，1Glc转变为2三碳物：磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛，消耗2ATP。第二阶段是能量获得（代偿）阶段（payoffphase)，3-磷酸甘油醛转变为丙酮酸，生成4ATP和2NADH+H+。葡萄糖的碳架分解产生丙酮酸、磷酸化ADP产生ATP、产生的氢转变为NADH。糖酵解的两个阶段PreparatoryPhasePayoffPhase？酵解途径的十步反应TheGlycolyticPathwayEMP反应总表EMP途径的说明I1）己糖激酶(hexokinase)需要Mg2+或其他二价阳离子及ATP，反应不可逆，是酵解过程的第一个别构[调节]酶，肌肉中受产物G-6-P强烈别构抑制。肝脏中主要是以glucokinase存在，对Glc有特异活性，不受G-6-P的抑制。2）果糖磷酸激酶[phosphofructokinase,PFK]，需要Mg2+及ATP，是酵解途径的关键反应[committedstep,keyreaction,rate-limitingreaction]酶，酵解进行的速度取决于该酶的活性，酶的调节也是别构调节，ATP对其有抑制效应，柠檬酸及脂肪酸的存在会加强ATP的抑制作用，AMP、ADP及Pi可消除抑制。己糖激酶和磷酸果糖激酶催化的反应EMP途径的说明II3）3-P-甘油醛dHE(phosphoglyceraldehydedHE)，活性中心在酶的Cys-SH上，氧化型NAD+与酶紧密结合，受氢还原后与酶脱离，磷酸攻击硫酯键生成1，3-二磷酸甘油酸。只有NAD+不断取代NADH才能保持酶的催化活力，否则酵解就要停止。ICH2COOH与-SH反应，可强烈抑制酶的活性。3-磷酸甘油醛氧化生成二磷酸甘油酸3-P-甘油醛脱氢酶碘乙酸是3-磷酸甘油醛脱氢酶的抑制剂碘乙酸与脱氢酶活性位点的-SH共价结合，使酶失活。EMP途径的说明Ⅲ4）磷酸甘油酸变位酶(phosphoglyceratemutase)，催化磷酸基团在C3和C2位可逆变位，Mg2+对反应为必需。反应分成两步，由磷酸甘油酸变位酶介导磷酸基团在2,3-二磷酸甘油酸、3-磷酸甘油酸及2-磷酸甘油酸之间发生转移。反应中变位酶的磷酸化需要有特异的ATP依赖的激酶。虽然多数细胞中的2,3-二磷酸甘油酸很少（痕量水平），但在红细胞中确是一个主要的成分（-5mM），调节血红蛋白对氧的亲和力。磷酸甘油酸变位酶反应的机制EMP途径的说明Ⅳ5)烯醇（化）酶（enolase），催化2-磷酸甘油酸脱水生成PEP，产生酵解途径的第二个磷酸基团转移能，有Mg2+或Mn2+存在时，酶才有活性，F-能与Mg2+形成络合物并结合在酶分子上而抑制酶的活性。EMP途径的说明V6）丙酮酸激酶（pyruvatekinase），别构调节酶，需要Mg2+、K+，催化的反应有ATP生成，是酵解途径的重要调节酶，长链脂肪酸、乙酰CoA、ATP、Ala等均抑制酶活；F-1,6-diP可活化此酶。7）酵解10步反应有4步是需能反应（1、3、7、10四步反应）8）整个酵解途径的反应中，1、3、10步反应为严格意义上的不可逆反应。底物水平磷酸化底物氧化、分子内基团重排等所释放的能量偶联ATP的生成，涉及可溶性的酶和代谢中间物，不涉及膜结合的酶、跨膜质子梯度和电子传递。丙酮酸激酶催化PEP生成丙酮酸底物水平磷酸化EMP途径中间物浓度EMP的能量消耗与生成NADH+H+的命运无氧条件下:通过乙醇发酵受氢，解决重氧化通过乳酸发酵受氢，解决重氧化有氧条件下:通过呼吸链递氢，最终生成H2O,并生成ATP。丙酮酸的生成丙酮酸的代谢命运1）无氧条件下，丙酮酸转变为乳酸。2）无氧条件下，丙酮酸转变为乙醛，进而生成乙醇。3）有氧条件下，丙酮酸氧化脱羧生成乙酰-CoA，进入三羧酸循环，氧化供能（乙酰-CoA在能量状态高的情况下可用于合成脂类物质）。4)丙酮酸作为其他物质合成的前体（如Ala等）。酵解产生的丙酮酸的三个可能的分解代谢命运合成前体合成前体乙醇生成(发酵)PyruvatedecarboxylaseAlcoholdehydrogenase乳酸生成(发酵)甘油生成(发酵)DHAP+NADH+H+3-P-甘油+NAD+甘油利用酵母制造甘油（解决乙醛受氢问题）1）培养基中添加NaHSO3NaHSO3+CH3CHOCH3CH(OH)OSO2Na2）将发酵液调至碱性，乙醛在碱性条件下发生歧化反应。2CH3CHO+NaOHCH3COONa+CH3CH2OHGlycerol3-phosphateGlycerolEMP途径总结1)无氧条件下，Glc分解为乙醇或乳酸，为无氧分解。（1）酵母等，Glc2ethanol+2CO2（2）肌肉等，Glc2lactate2)虽无O2参与，但有脱氢反应，H的受体为NAD+，胞质中NAD+少，须解决NADH的重氧化。3)两种发酵均净生成2ATP，为底物水平磷酸化。4)需要辅酶或辅助因子，如NAD+,TPP,Mg2+,K+等。葡萄糖6-磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖糖原6-磷酸果糖1,6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮1,3-二磷酸甘油酸×2磷酸烯醇式丙酮酸×2烯醇式丙酮酸×2丙酮酸×2乳酸×2(胞液)己糖激酶磷酸果糖激酶3-磷酸甘油酸×22-磷酸甘油酸×22ADP2ATP丙酮酸激酶NAD+NADH+H+NADH+H+ADPATPADPATP脱氢酶2ATP2ADP糖酵解NADH+H+NAD+丙酮酸激酶的调节作用PEP丙酮酸激酶受可逆磷酸化的共价调节kinasephosphataseF-6-P对果糖磷酸激酶的变构调节作用磷酸果糖激酶-1的活力大肠杆菌PFK四亚基中的两个果糖1,6-二磷酸催化位点ADP催化位点ADP的结合位点肌肉中F-6-P对果糖磷酸激酶的变构调节作用（续）葡萄糖异生要跨越酵解过程磷酸果糖激酶催化的不可逆反应果糖-1，6-二磷酸酯酶果糖磷酸激酶其它单糖进入EMP1）D-FructoseA.通过hexokinase转变为F-6-P进入EMP，但酶对Glc的亲和力大于对Fru的12倍，肝中几乎不发生这种反应，而脂肪组织中则FruGlc，可走这一途径。B.肝脏中，Fructokinase催化Fru生成F-1-P，再由F-1-Paldolase催化裂解为DHAP和甘油醛，甘油醛激酶催化甘油醛生成3-P-G(消耗1ATP)进入EMP。果糖进入EMP肝脏肌肉和肾中，己糖激酶催化Fru+ATPF-6-P，直接进入酵解。其它单糖进入EMP（续）2）D-Galactose由galactokinase催化生成1-P-Gal，再由鸟苷酰转移酶催化与UDPG反应生成Glc-1-P和UDPGal(由差向异构酶催化变为UDPG，完成再生)，而G-1-P经变位酶催化变成G-6-P进入EMP。3）D-Mantose由hexokinase催化生成M-6-P，再经异构酶催化转变为F-6-P进入EMP。半乳糖进入EMPGalATP，Mg2+半乳糖激酶UDPG-Gal-1-P鸟苷酰转移酶缺乏时，半乳糖血症缺乏时，半乳糖血症半乳糖进入EMP其他单糖进入EMP（总图）糖酵解生理意义•是机体相对缺氧时补充能量的一种有效方式[机体缺氧、剧烈运动肌肉、局部缺血等，能迅速获得能量]。•某些组织在有氧时也通过糖酵解供能：[成熟红细胞、视网膜、睾丸、肾髓质、皮肤、肿瘤细胞]。