复旦大学生化课件-糖酵解与发酵

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 酵解途径的十步反应 TheGlycolyticPathway PreparatoryPhase PayoffPhase EMP反应总表 EMP途径的说明I 1 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II 3 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 4 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 5 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V 6 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 Pyruvatedecarboxylase Alcoholdehydrogenase 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 CH3CH2OH Glycerol3 phosphate Glycerol EMP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 2 2 磷酸甘油酸 2 2ADP 2ATP 丙酮酸激酶 NAD NADH H NADH H ADP ATP ADP ATP 脱氢酶 2ATP 2ADP 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 kinase phosphatase F 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EMP 1 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