生物化学课件ppt（生物工程类）之第九章糖酵解

,9 糖酵解,9.1 糖酵解包括10步酶催化反应 9.2 酵母于厌氧条件下可将丙酮酸转化成乙醇 9.3 在绝大多数细胞中丙酮酸可以转化为乳酸 9.4 酵解反应中有3个调控酶 9.5 巴斯德（Pasteur）效应是指氧存在下酵解速度降低,首先接触的是糖代谢的两个途径：糖酵解和柠檬酸循环。 下图给出了糖酵解和柠檬酸循环两个途径之间的关系。在糖酵解途径中葡萄糖转化为三碳酸丙酮酸。 丙酮酸有3种主要的去路： （a）丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoA，乙酰CoA进入柠檬酸循环。 （b）丙酮酸可以转化为乙醇（无氧），这一过程称之酒精发酵。 （c）丙酮酸在某些环境条件下（如缺氧），它可以还原为乳酸。 柠檬酸循环是一个可以将乙酰CoA中的乙酰成分完全氧化为CO2和水的途径。乙酰成分的彻底氧化是个产能过程，产生的大部分能量是以NAD和FAD的还原形式NADH和FADH2保存的。,葡萄糖的分解代谢,葡萄糖,2 乙醇,2 乳酸,2 丙酮酸,2乙酰CoA,酵解,柠檬酸循环,葡萄糖,2 乳酸,2 丙酮酸,2 CO2 2 乙醇,6 CO2 6H2O,无氧 酵解,有氧氧化,无氧酒精发酵,氧化磷酸化,9.1 糖酵解包括10步酶催化反应 糖酵解是通过一系列酶促反应将葡萄糖降解成丙酮酸并伴有ATP生成的过程途径。糖酵解是动物、植物以及微生物细胞中葡萄糖分解产生能量的共同代谢途径。事实上在所有的细胞中都存在着糖酵解途径，对于某些细胞，糖酵解是唯一生成ATP的途径。 糖酵解途径涉及10个酶催化反应，途径中的酶都位于细胞质中，一分子葡萄糖通过该途径被转换成两分子丙酮酸。糖酵解的10个反应可以分为己糖和丙糖两个阶段。己糖阶段是从葡萄糖到果糖-1,6-二磷酸，丙糖阶段是从果糖-1,6-二磷酸裂解转换为两个三碳的磷酸丙糖开始到糖酵解的产物丙酮酸为止。,葡萄糖酵解过程,见教材下册P66，糖酵解过程中，中间产物磷酸化的重要意义是： （1） （2） （3）,糖酵解包括10步酶催化反应 1、己糖激酶催化葡萄糖磷酸化形成葡萄糖-6-磷酸，消耗一分子ATP.,糖酵解的第一步反应是葡萄糖的C-6被磷酸化形成葡萄糖-6-磷酸，这一磷酰基团转移反应是由己糖激酶催化的，消耗一分子ATP，该反应是不可逆反应。 磷酸化的葡萄糖被限制在细胞内，因为磷酸化的糖含有带负电荷的磷酰基，可防止糖分子再次通过质膜。这是细胞的一种保糖机制。在糖代谢的整个过程中，直至净合成能量之前，中间代谢物都是磷酸化的。 己糖激酶以六碳糖为底物，专一性不强。除了葡萄糖可作为己糖激酶的底物外，它也可催化甘露糖、果糖等己糖的磷酸化。己糖激酶对D-葡萄糖的Km=0.1mmol/L，而肝葡萄糖激酶的Km=10 mmol/L，平时细胞内葡萄糖浓度为5 mmol/L，此时己糖激酶的酶促反应已达最大速度，而葡萄糖激酶并不活跃。只有在进食后，肝细胞内葡萄糖浓度高时葡萄糖激酶才起作用，所以葡萄糖激酶是个诱导酶。,2、葡萄糖-6-磷酸异构酶催化葡萄糖-6-磷酸转化为果糖-6-磷酸 葡萄糖-6-磷酸异构酶催化葡萄糖-6-磷酸转化为果糖-6-磷酸，这是一个醛糖酮糖同分异构化反应，反应是可逆的。 葡萄糖-6-磷酸的-异头物首先与葡萄糖-6-磷酸异构酶结合，在酶的活性部位形成开链式的葡萄糖-6-磷酸，然后进行醛糖酮糖转换，开链式的果糖-6-磷酸环化形成-D-呋喃果糖-6-磷酸。,3、磷酸果糖激酶-I催化果糖-6-磷酸磷酸化生成果糖-1,6-二磷酸，消耗了第二个ATP分子 磷酸果糖激酶-I 催化ATP中的磷酸基团转移到果糖-6-磷酸的C-1的羟基上，生成果糖-1,6-二磷酸。 要注意的是尽管葡萄糖-6-磷酸异构酶催化的反应生成的产物是-D-果糖-6-磷酸，但果糖-6-磷酸磷酸果糖激酶的底物却是的异头物 -D-果糖-6-磷酸，果糖-6-磷酸的和异头物在水溶液中是处于非酶催化的快速平衡中。,4、醛缩酶催化果糖-1,6-二磷酸裂解，生成甘油醛-3-磷酸和磷酸二羟丙酮 果糖-1,6-二磷酸在醛缩酶的作用下使 C-3和C-4之间键断裂，生成甘油醛-3-磷酸和磷酸二羟丙酮。甘油醛-3-磷酸进一步进行酵解反应，而磷酸二羟丙酮可以作为-甘油磷酸合成的前体，或者是转换成甘油醛-3-磷酸进行酵解。 平衡有利于逆反应方向，但在生理条件下，甘油醛-3-磷酸不断地转化成丙酮酸，大大地降低了甘油醛-3-磷酸的浓度，从而驱动反应向裂解方向进行。,5、丙糖磷酸异构酶催化甘油醛-3-磷酸和磷酸二羟丙酮的相互转换,磷酸二羟丙酮需要在丙糖磷酸异构酶的的催化下转化为甘油醛-3-磷酸，反应进行到这一步实际上等于一分子的果糖-1,6-二磷酸裂解生成了能进一步酵解的两分子的甘油醛-3-磷酸。,六碳糖（葡萄糖）转换为三碳糖后碳原子的归属 !,通过放射性同位素追踪实验发现： 一分子甘油醛-3-磷酸中的C-1，C-2和C-3分别来自于葡萄糖分子中的C-4、C-5和C-6， 而另一分子的甘油醛-3-磷酸（由磷酸二羟丙酮转换来的）的C-1，C-2和C-3则分别来自于葡萄糖分子中的C-3、C-2和C-1， 即： 葡萄糖分子中的C-4和C-3 甘油醛-3-磷酸的C-1； 葡萄糖分子中的C-5和C-2 甘油醛-3-磷酸的C-2； 葡萄糖分子中的C-6和C-1 甘油醛-3-磷酸的C-3。,6、甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化甘油醛-3-磷酸氧化为1,3-二磷酸甘油酸,甘油醛-3-磷酸在有NAD和H3PO4存在下，由甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）催化生成1,3-二磷酸甘油酸，这是酵解中唯一的一步氧化反应。 反应中一分子NAD被还原成NADH，同时在1,3-二磷酸甘油酸中形成一个高能酸酐键。在下一步酵解反应中，保存在酸酐化合物中的能量可以使得ADP变成ATP。,磷酸甘油醛脱氢酶（Phosphoglyceraldehyde dehydrogenase）,NAD+,-SH,CHO H-C-OH CH2O-P,NAD+,-S-CHOH-CHOH-CH2 O-P,高能硫酯键(释放的能量大部分集中在C1上),-NADH+ +H+,-S-CO-CHOH-CH2 O-P,Pi,O C-O-P CHOH CHO-P,-NAD+,转移氢,-S-CO-CHOH-CH2 O-P,NAD+,NADH+ +H+,磷酸甘油醛脱氢酶反应机理图示,注,无机砷酸（AsO43-）可以取代无机磷酸作为甘油酸- 3-磷酸脱氢酶的底物。砷酸可以象磷酸生成一个不稳定的类似于1,3-二磷酸甘油酸的1-砷酸-3-磷酸甘油酸，该化合物一接触到水自动水解，生成3-磷酸甘油酸和无机砷酸，这是个非酶催化过程。在砷酸存在下，反应变成了： 甘油醛-3-磷酸NADH2O3-磷酸甘油酸NADH+2H。,7、磷酸甘油酸激酶催化1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸，同时生成ATP 1,3-二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的作用下，将高能磷酰基从富含能量的酸酐1,3-二磷酸甘油酸转给ADP形成ATP 和3-磷酸甘油酸。 从一个高能化合物（例如1,3-二磷酸甘油酸）将磷酰基转移给ADP形成ATP的过程称为底物水平磷酸化作用，底物水平磷酸化不需要氧，是一种形成ATP的机制。这步反应是酵解中第一次产生ATP的反应，反应可逆。,在红细胞中，1,3-二磷酸甘油酸除了转变为3-磷酸甘油酸外，还可转换为2,3-二磷酸甘油酸（2,3-bisphosphoglycerate, 2,3-BPG），这是红细胞中糖酵解的一个重要功能。2,3-BPG是血红蛋白氧合作用的别构抑制剂。 红细胞中含有二磷酸甘油酸变位酶，它催化1,3-二磷酸甘油酸中C-1的磷酰基转移到C-2上，形成2,3-BPG。而2,3-BPG又可在2,3-BPG磷酸酶的催化下水解生成3-磷酸甘油酸，重新进入糖酵解途径，转化为丙酮酸。,红细胞内BPG浓度对血红蛋白氧饱和曲线的影响,8、磷酸甘油酸变位酶催化3-磷酸甘油酸转换为2-磷酸甘油酸 磷酸甘油酸变位酶催化3-磷酸甘油酸和2-磷酸甘油酸之间的相互转换。变位酶是一种催化一个基团从底物分子的一个部分转移到同分子的另一部分的异构酶。,9、 烯醇化酶催化2-磷酸甘油酸形成磷酸烯醇式丙酮酸 在烯醇化酶（需要Mg2）催化下，从2-磷酸甘油酸中的，位脱去水形成磷酸烯醇式丙酮酸，反应是可逆的。 磷酸烯醇式丙酮酸具有很高的磷酰基转移潜能，因为它的磷酰基是以一种不稳定的烯醇式互变异构形式存在的。,10、丙酮酸激酶催化磷酰基从磷酸烯醇式丙酮酸转移给ADP，生成丙酮酸和ATP 这是酵解中第二个底物水平磷酸化反应，反应是由丙酮酸激酶催化的。当磷酰基从磷酸烯醇式丙酮酸转移到ADP的-磷酸基团上时，形成ATP和烯醇式丙酮酸，反应是不可逆的。 与酶结合的烯醇式丙酮酸异构化形成更稳定的丙酮酸，丙酮酸是酵解中第一个不再被磷酸化的化合物。,酵解进行到这一步，除了净生成二分子ATP外，还使得二分子的NAD还原为NADH。 葡萄糖2ADP2 NAD2Pi 2丙酮酸2ATP2NADH2H2H2O,9.2 酵母于厌氧条件下可将丙酮酸转化成乙醇 在厌氧状态下，酵母细胞将丙酮酸转化为乙醇和CO2，同时NADH被氧化为NAD，这一过程涉及二个反应。首先在丙酮酸脱羧酶催化下，丙酮酸脱羧生成乙醛，然后乙醛在醇脱氢酶催化下还原为乙醇的同时，NADH被氧化为NAD。一分子葡萄糖经酵解和丙酮酸转化为乙醇的总反应为： 葡萄糖2Pi2ADP2H2乙醇2CO22ATP2H2O,9.3 在绝大多数细胞中丙酮酸可以转化为乳酸 乳酸脱氢酶（LDH）催化丙酮酸还原为乳酸。一旦形成乳酸，乳酸除了重新转换成丙酮酸之外再没有其它的代谢途径了，因此乳酸是代谢的死胡同。由于形成乳酸的同时，可以使NADH氧化成NAD，这样酵解途径就完整了，因为生成的NAD又可用于甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化的反应，就象在酒精发酵途径所看到的那样。,当供给组织的氧不充分时，所有组织都可通过厌氧酵解产生乳酸，结果造成乳酸堆积，引起血液中乳酸水平升高，称为乳酸中毒，血液的pH有时会降至危险的酸性水平。乳酸是一种在锻炼期间和锻炼后引起肌肉酸痛的物质。当某些微生物使奶中的糖发酵变成乳酸时，使得奶中的蛋白质变性，引起凝乳现象，这是作奶酪所需要的。 葡萄糖降解为乳酸的总反应为： 葡萄糖2Pi2ADP2H 2乳酸2ATP2H2O 无论酵解最后的产物是乳酸或乙醇，消耗一分子葡萄糖都会产生两分子ATP，而且都不需要氧，这一特征不仅对厌氧生物是非常必要的，而且对于多细胞生物中的某些特殊的细胞也是必要的。在绝大多数细胞中，ATP主要是通过氧化磷酸化生产的。然而某些组织（称为强制性酵解组织）例如眼睛的角膜，由于血液循环差，可利用的氧有限，所以需要酵解提供所需的能量。,乳酸的命运,卡里循环,乳酸,葡萄糖,乳酸,葡萄糖,血液,丙酮酸,丙酮酸,*肝脏,*肌肉,3个主要调控部位，分别是己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶 催化的反应。,9.4 酵解途径中存在着 3个主要的调控酶,见p83,磷酸果糖激酶的别构活化剂2,6-二磷酸果糖的调控 该调控物可通过增加肝内6磷酸果糖与酶的亲和力，从而消除ATP对酶的抑制效应，使酶活化。,F-6-P F-2,6-BP,磷酸化的前后酶,二磷酸果糖激酶2 高葡萄糖含量,果糖二磷酸酶2 低葡萄糖含量, 胰高血糖激素,去磷酸化的前后酶,2,6-二磷酸果糖是由二磷酸果糖激酶2催化6-磷酸果糖磷酸化而生成的，但2,6-二磷酸果糖又可被果糖二磷酸酶2水解成6-磷酸果糖。,二磷酸果糖激酶2 果糖二磷酸酶2,前后酶（或双功能酶）；该酶的催化调控方式如图。F-2,6-BP主要作用是：消除ATP对磷酸果糖激酶的抑制，加速糖酵解的速度。,* F-6-P有加速F-2,6-二磷酸合成的作用，还有抑制该化合物水解的作用。,9.5 巴斯德（Pasteur）效应是指氧存在下酵解速度降低的现象 巴斯德在研究葡萄糖发酵时观察到当酵母细胞在厌氧条件下生长时，产生的乙醇和消耗的葡萄糖要比在有氧条件下生长时多许多倍。 类似现象也出现在肌肉中，当处于缺氧条件下时，肌肉中出现乳酸堆积，但在有氧条件下，则不会出现乳酸堆积现象。无论是酵母还是肌肉，在缺氧条件下葡萄糖转化为丙酮酸的速率要高得多。所以人们将氧存在下酵解速度降低的现象称之巴斯德效应（Pasteur effect）。 就象我们在下一章将要看到的那样，一分子葡萄糖有氧代谢产生的ATP要比一分子葡萄糖通过酵解产生的2分子ATP高出许多倍，因此在有氧条件下只需消耗少量的葡萄糖就可产生所需要的ATP量。,1. 糖酵解是单糖分解代谢的共同途径。催化糖酵解的10个酶都位于细胞质中。每一个己糖可以转化为两分子的丙酮酸，同时净生成两分子ATP和两分子NADH。 2. 糖酵解降解丙酮酸是通过己糖（消耗ATP）和丙糖（生成ATP）两个阶段完成的。在第一个阶段一分子的葡萄糖（6碳）转换为两分子的甘油醛-3-磷酸，这个阶段需要输入能量（两分子ATP）；在第二个阶段甘油醛-3-磷酸转化为丙酮酸（三碳），同时生成NADH和产出能量（4分子ATP），ATP是通