生化小论文-糖酵解的研究与启示.doc

台州学院生物化学课程论文 糖酵解的研究与启示糖酵解的研究与启示生命科学学院 生物科学1班 杨扬 1231250018摘要：糖酵解作为生物体普遍存在的糖代谢过程，在一般生理情况下，大多数组织有足够的氧以供有氧氧化之需，很少进行糖酵解。但在某些情况下，糖酵解有特殊的生理意义，如剧烈运动时，肌肉处于相对缺氧状态，必须通过糖酵解过程，以补充所需的能量。在某些病理情况下，如严重贫血、大量失血、呼吸障碍、肿瘤组织等，组织细胞也需通过糖酵解来获取能量。而在厌氧菌中，糖酵解则为主要产能方式。本文主要对糖酵解过程以及相关研究方向进行了论述。关键词：糖酵解；糖酵解途径；生理学意义；微体研究；医学作用1 糖酵解研究简史糖酵解过程的阐明最早源于对发酵作用的研究。人类很早就利用发酵酿酒、制面包。1897年，德国生化学家 E.毕希纳发现离开活体的酿酶具有活性以后，极大地促进了生物体内糖代谢的研究。酿酶发现后的几年之内，就揭示了糖酵解是动植物和微生物体内普遍存在的过程。英国的F.G.霍普金斯等于1907年发现肌肉收缩同乳酸生成有直接关系。英国生理学家A.V.希尔，德国的生物化学家O.迈尔霍夫、O.瓦尔堡等许多科学家经历了约20年，从每一个具体的化学变化及其所需用的酶、辅酶以及化学能的传递等各方面进行探讨，于1935年终于阐明了从葡萄糖（6碳）转变其中乳酸（3碳）或酒精（2碳）经历的12个中间步骤，并且阐明在这过程中有几种酶、辅酶和ATP等参加反应。2 糖酵解2.1 糖酵解定义 糖酵解，是将葡萄糖呢降解为丙酮酸并伴随着ATP生成的一系列反应，是生物体内普遍存在的葡萄糖降解途径，简称EMP途径。2.2 糖酵解过程 糖酵解是指在氧气不足条件下，葡萄糖或糖原分解为丙酮酸或乳酸的过程，此过程中伴有少量ATP的生成。这一过程是在细胞质中进行，不需要氧气，每一反应步骤基本都由特异的酶催化。在缺氧条件下丙酮酸则可在乳酸脱氢酶的催化下，接受磷酸丙糖脱下的氢，被还原为乳酸。而有氧条件下的糖的氧化分解，称为糖的有氧氧化，丙酮酸可进一步氧化分解生成乙酰CoA进入三羧酸循环，生成CO2和H2O。糖的有氧氧化和糖酵解在开始阶段的许多步骤是完全一样的，只是分解为丙酮酸以后，由于供氧条件不同才有所分歧。糖酵解总共包括10个连续步骤，均由对应的酶催化。总反应为：C6H12O6 + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 H3PO4 2 NADH + 2 C3H4O3 + 2 ATP + 2 H2O + 2 H+2.2.1 第一阶段（准备阶段）葡萄糖的磷酸化(phosphorylation of glucose)进入细胞内的葡萄糖首先在第6位碳上被磷酸化生成6-磷酸葡萄糖(glucose 6 phophate,G6P)，磷酸根由ATP供给,这一过程不仅活化了葡萄糖,有利于它进一步参与合成与分解代谢,同时还能使进入细胞的葡萄糖不再逸出细胞.催化此反应的酶是己糖激酶(hexokinase,HK).己糖激酶催化的反应不可逆,反应需要消耗能量ATP，Mg2+是反应的激活剂,它能催化葡萄糖、甘露糖、氨基葡萄糖、果糖进行不可逆的磷酸化反应,生成相应的6磷酸酯，6磷酸葡萄糖是HK的反馈抑制物,此酶是糖氧化反应过程的限速酶(rate limiting enzyme)或称关键酶(key enzyme)它有同工酶IIV型,I、II、III型主要存在于肝外组织，其对葡萄糖Km值为10-510-6M3。IV型主要存在于肝脏,特称葡萄糖激酶(glucokinase,GK),对葡萄糖的Km值110-2M,正常血糖浓度为5mmol/L,当血糖浓度升高时,GK活性增加,葡萄糖和胰岛素能诱导肝脏合成GK,GK能催化葡萄糖、甘露糖生成其6-磷酸酯,6-磷酸葡萄糖对此酶无抑制作用。葡萄糖磷酸化反应式 21 6-磷酸葡萄糖的异构反应(isomerization of glucose-6-phosphate)这是由磷酸己糖异构酶(phosphohexose isomerase)催化6-磷酸葡萄糖(醛糖aldose sugar)转变为6-磷酸果糖(fructose-6-phosphate,F-6-P)的过程,此反应是可逆的。葡萄糖磷酸化反应式 22 6-磷酸果糖的磷酸化(phosphorylation of fructose6phosphate)此反应是6磷酸果糖第一位上的C进一步磷酸化生成1,6二磷酸果糖,磷酸根由ATP供给，催化此反应的酶是磷酸果糖激酶1(phosphofructokinase l,PFK1)。这是糖酵解的第二个活化反应，是不可逆反应，为糖酵解中，第二个重要的控制点。在细胞内磷酸果糖激酶反应为不可逆的，而磷酸果糖激酶，与果糖激酶一样，属于一种调节性酶，且为肌肉糖酵解中主要的调节性酶，受到ATP与AMP数量比的影响：当ATP过多时，ATP结合到酶的调控部位，酶的构象发生变化而受抑制；AMP会解除此酶的抑制，使其恢复高效状态5。葡萄糖磷酸化反应式 231.6 二磷酸果糖裂解反应(cleavage of fructose 1,6 di/bis phosphate)醛缩酶(aldolase)催化1.6-二磷酸果糖生成磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛,此反应是可逆的。葡萄糖磷酸化反应式 24磷酸二羟丙酮的异构反应(isomerization of dihydroxyacetonephosphate)磷酸丙糖异构酶(triose phosphate isomerase)催化磷酸二羟丙酮转变为3磷酸甘油醛,此反应也是可逆的。葡萄糖磷酸化反应式 25到此1分子葡萄糖生成2分子3-磷酸甘油醛,通过两次磷酸化作用消耗2分子ATP。2.2.2 第二阶段（放能阶段）糖酵解的第二阶段为放能阶段，此阶段的目的在于产生高能分子ATP和NADH。因为一个葡萄糖在准备阶段时已经变成两个丙糖，所以在放能阶段中每个反应会发生两次。最后产生2个NADH和4个ATP，使得单一葡萄糖在经过整个糖酵解后净得2个NADH和2个ATP。ATP会用于其他需能反应，而NADH则会进入呼吸链或作为还原剂参与细胞内其他还原加氢反应。3-磷酸甘油醛氧化反应(oxidation of glyceraldehyde-3-phosphate)两个丙糖分子被氧化并添加一分子无机磷酸，形成1,3-二磷酸甘油酸(1,3-BPG)。 被脱下的氢用于还原氢载体NAD+，形成NADH。葡萄糖磷酸化反应式 261.3二磷酸甘油酸的高能磷酸键转移反应这步反应为磷酸甘油酸激酶将甘油酸-1,3-二磷酸的磷酸基团转移至ATP，形成甘油酸-3-磷酸和一份子ATP，在这一步，糖酵解过程达到了能量收支平衡：2分子ATP在先前的反应中被消耗，而在这步反应中有两分子ATP被合成。这步反应作为两步底物水平磷酸化中的一步，以ADP作为底物，所以当细胞ATP水平较高时，该步反应被抑制；因此该步反应也是糖酵解过程中重要的控速步骤之一。葡萄糖磷酸化反应式 273-磷酸甘油酸的变位反应在磷酸甘油酸变位酶(phosphoglycerate mutase)催化下3-磷酸甘油酸C3位上的磷酸基转变到C2位上生成2磷酸甘油酸。反应可逆。葡萄糖磷酸化反应式 282-磷酸甘油酸的脱水反应由烯醇化酶催化从甘油酸-2-磷酸转化为磷酸烯醇式丙酮酸。辅基: 两个Mg2+葡萄糖磷酸化反应式 29磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸转移最后一步底物水平磷酸化由丙酮酸激酶催化，形成一份子丙酮酸和一分子ATP。 辅基: Mg2+葡萄糖磷酸化反应式 2102.3 糖酵解的调控1) 果糖磷酸激酶是最关键的限速酶a. ATP/AMP比值对该酶活性的调节具有重要的生理意义。当ATP浓度较高时，该酶几乎无活性，酵解作用减弱时；当AMP积累，ATP减少时，酶活性恢复，酵解作用增强。b. H+可抑制果糖磷酸激酶的活性，它可防止肌肉中形成过量的乳酸而使血液酸中毒。c. 柠檬酸含量高，说明细胞能量充足，葡萄糖就无须为合成其前体而降解。因此柠檬酸可增强ATP对酶的抑制作用。d. 果糖6-磷酸在果糖磷酸激酶的催化下可磷酸化为果糖-2,6-二磷酸。果糖-2,6-二磷酸能消除ATP对酶的抑制效应，使酶活化。2) 己糖激酶活性的调控 G-6-P是该酶的别构抑制剂。果糖磷酸激酶活性被抑制时，可使G-6-P积累，酵解作用减弱。然而，因G-6-P可转化为糖原及戊糖磷酸，因此己糖激酶不是酵解作用的关键限速酶。3) 丙酮酸激酶活性的调节a. 果糖-1,6-二磷酸是该酶的激活剂，可加速酵解速度。b. 丙氨酸是该酶的别构抑制剂，酵解产物丙酮酸为丙氨酸的生成提供了碳骨架。丙氨酸抑制丙酮酸激酶的活性，避免丙酮酸的过剩。c. ATP、乙酰CoA等也可抑制该酶活性，减弱酵解作用。2.4 糖酵解途径的生理意义1) 糖酵解是存在一切生物体内糖分解代谢的普遍途径。2) 通过糖酵解使葡萄糖降解生成ATP，为生命活动提供部分能量，尤其对厌氧生物是获得能量的主要方式。3) 糖酵解途径为其他代谢途径提供中间产物（提供碳骨架），如6-磷酸葡萄糖是磷酸戊糖途径的底物；磷酸二羟丙酮a-磷酸甘油 合成脂肪。 4) 是糖有氧分解的准备阶段。 5) 由非糖物质转变为糖的异生途径基本为之逆过程。3 糖酵解微体研究糖酵解酶体是一类特殊的微体。该酶体主要存在于原生动物寄生虫中，主要涉及糖酵解，嘌呤再利用，脂肪酸氧化等生理代谢反应。1977年，糖酵解微体被Opperdoes等在布氏锥虫中发现。它含有糖酵解反应的大多数酶，因而也引起了越来越多科学家的关注，为研制抗寄生虫药物提供了新的方向。3.1 糖酵解酶体在糖酵解反应中的作用动质体目的糖酵解酶体含有将葡萄糖转变成3磷酸甘油的酶，这是糖酵解酶体区别于过氧化物酶体的一个重要标志6。在寄生虫的糖酵解酶体中，糖酵解酶(glycolyticenzyme)的含量会呈阶段特异性的变化，这在布氏锥虫中尤为明显7-9。在布氏锥虫的糖酵解酶体中，90%的酶都是糖酵解酶，这些酶可以帮助锥虫细胞克服短期厌氧生活带来的危害9。Parsons等10发现，糖酵解酶体对糖酵解部分反应的区域化可以防止代谢干扰的发生。如果没有糖酵解酶体对糖酵解部分反应的区域化，这对布氏锥虫是有害的，因为布氏锥虫缺乏了对己糖激酶和磷酸果糖激酶的反馈调节11。在硕大利什曼原虫( L. Major. L.)的糖酵解酶体中，还发现了唯一的磷酸二羟丙酮酰基转移酶，如果缺少这个酶，硕大利什曼原虫在稳定生长期细胞会加速死亡，细胞毒性也会丧失12。此外，在克氏锥虫（TCruzi. L.）13和墨西哥利什曼原虫(LMexicana L.)11的糖酵解酶体中，分别发现含有磷酸葡萄糖变位酶和可被6磷酸葡萄糖抑制的己糖激酶。3.2 糖酵解酶体在嘌呤再利用中的作用 原生寄生虫与真核宿主之间的一个显著性代谢差异是，合成嘌呤核苷酸的代谢机制不同。哺乳类细胞可以利用氨基酸和一碳单位为原料合成嘌呤 ；而原生寄生虫却不能从头合成嘌呤环，完全需要从宿主中获得嘌呤。嘌呤再利用途径中的几种酶，如次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶、腺嘌呤磷酸核糖转移酶和黄嘌呤磷酸核糖转移酶，在锥虫属的糖酵解酶体中均有发现。这些磷酸核糖转移酶都具有将嘌呤碱基转化形成嘌呤核苷酸的能力，因此它们可以帮助寄生虫从宿主中获得嘌呤，以维持正常的生理代谢。利用免疫细胞化学法，已清楚解释了杜氏利什曼原虫(L. Donovani L.)和布氏锥虫的HGPRT蛋白是如何定向位于糖酵解酶体中的。免疫电子显微术则证明，杜氏利什曼原虫的 XPRT 存在于胞质，APRT 则在糖酵解酶体中16 。但对于杜氏利什曼原虫为何把XPRT 和HGPRT 区域化在糖酵解酶体，却把APRT区域化在胞质的原因则还不清楚。而在杜氏利什曼原虫中，合成鸟苷酸的酶次黄嘌呤核苷酸脱氢酶，也存在于糖酵解酶体中15。这个酶与糖酵解酶体的膜蛋白受体 PEX5紧密结合在一起，其活性可被次黄嘌呤核苷酸和鸟苷酸调节15。3.3 糖酵解酶体在钙代谢中的作用 在原生寄生虫（例如利什曼原虫）中，Ca2+作为一个信息传感器介导许多关键的细胞功能。在不同属的利什曼原虫及动质体目其他的种属中，线粒体、内质网和钙酸体是已知的参与Ca2+调节的细胞内三大Ca2+库17。最近的研究发现，利什曼原虫的糖酵解酶体也包含有Ca2+库18。钒酸盐( Vanadate )可以抑制原生寄生虫内质网对Ca2+的吸收，但不能诱导细胞内Ca2+库中Ca2+的释放。电子传递链抑制剂能阻断线粒体对Ca2+的吸收，同样不能引发线粒体Ca2+的释放。而钙酸体要在Ca2+ATP的参与下才能存储Ca2+，若细胞内的pH呈碱性，则有利于Ca2+从钙酸体中释放出来19。早在1990 年Benaim 等就认为，在糖酵解酶体中含有对钒酸盐不敏感的Ca2+ATP，但当时还没有证明它在Ca2+的吸收及释放中起什么重要作用。通过共聚焦显微技术和荧光成像技术证明，糖酵解酶体中含有Ca2+及对钒酸盐不敏感的Ca2+ATP。因此，Gupta等20和Datta等21认为，利什曼原虫的糖酵解酶体是继内质网、线粒体和钙酸体之外的细胞内第四个Ca2+库。一旦线粒体的功能受到阻碍时，糖酵解酶体就会协同地释放Ca2+，同时糖酵解酶体中的Ca2+ATP 也迅速地参与细胞内Ca2+的运输，从而使细胞内Ca2+的代谢恢复正常。3.4 糖酵解酶体在脂肪酸氧化中的作用 细胞把不同的氧化反应区域化在不同的细胞器中，从而避免自身受到氧化损伤。脂肪酸的氧化是一个多次氧化的过程。因此，大部分有机体都把脂肪酸的氧化区域化在糖酵解酶体或是线粒体等细胞器中。在这些细胞器中，脂肪酸 氧化的产物如乙酰CoA、NADH及过氧化物并不直接参与能量的生成，而是进入到三羧酸。4 糖酵解的医学研究由于新血管的形成（angiogenesis）能刺激癌症的生长，以及其他疾病的发展。长久以来，科学家们认为抗血管生成抑制剂能通过干扰肿瘤血液供应，来减缓癌细胞的生长。然而迄今为止，这些治疗方法的成功率并不高，主要原因在于抗药性，低疗效，以及有害的副作用。Carmeliet博士和他的研究小组发现，在内皮细胞中糖酵解激活子PFKFB3通过刺激糖酵解促进了血管形成。在他们的新研究工作中，研究人员发现采用一种叫做3PO的小分子阻断PFKFB3，可抑制内皮细胞增殖和移动，从而减少血管萌芽。3PO还可以扩大阻断VEGF的效应。这是第一次证明了切断内皮细胞能量来源，可以作为治疗类似癌症这样涉及过度血管新生疾病的方法。尽管3PO只能部分且短暂地减少糖酵解，这足以抑制眼睛和炎症实验模型中的病理性血管形成22。新血管由血管内壁上的内皮细胞形成，这些细胞需要能量以形成新的血管。糖酵解是内皮细胞获取能量，构建新血管的最重要来源机，因此可以通过阻断糖酵解，令内皮细胞无法正常工作，从而阻止形成新的血管。这些研究结果有可能促成新的疗法，阻断支持癌症扩散、导致失明以及推动银屑病和炎性肠病等炎症疾病的过度血管生成。5 糖酵解研究启示糖酵解是生物体中普遍存在的代谢途径，也可以说是生物代谢方式中较为原始的一条途径。与其它有氧代谢相比，糖酵解产生的能量并不是很高。但是最为生物代谢中的一环，糖酵解也拥有其独特的研究价值。如糖酵解过程中的酶学研究，糖酵解与其它代谢途径关系的研究，糖酵解与厌氧菌能量获取方式的研究，还有目前从医学方面阐述糖酵解作用的研究。这些无一不证明了糖酵解在生物生理研究方面具有重要的意义。参 考 文 献1 阳衡等. 糖酵解参与痫性发作时能量代谢及痫性发作终止机制. 生理科学进展. 2011年 (42) 363-3662 李烁等. 糖酵解途径靶向治疗恶性肿瘤研究进展. 实用癌症杂志 2012年（5）536-5373 满斗日花等. 鸡胚胎期糖酵解关键酶mRNA的动态变化规律.内蒙古农业大学学报 2011年（1）23-274 吴孔明.张覃沐. 肿瘤细胞的糖酵解和钠泵. 肿瘤基础与临床. 1991年02期5 Reeves, R. 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