生物化学ii(苏维恒)糖酵解

糖代谢,Chapter11糖酵解作用(Glycolysis),一、糖类基础知识回顾二、糖酵解作用的研究历史三、糖酵解过程概述四、糖酵解和酒精发酵的全过程图解五、糖酵解第一阶段的反应机制六、糖酵解第二阶段放能阶段的反应机制七、由葡萄糖转变为两分子丙酮酸能量转变的估算八、丙酮酸的去路九、糖酵解作用的调节十、其他六碳糖进入糖酵解途径,糖代谢总论GlycolysisisaUbiquitouspathway,糖代谢包括分解代谢和合成代谢。动物和大多数微生物所需的能量，主要是由糖的分解代谢提供的。另一方面，糖分解的中间产物，又为生物体合成其它类型的生物分子，如氨基酸、核苷酸和脂肪酸等，提供碳源或碳链骨架。植物和某些藻类能够利用太阳能，将二氧化碳和水合成糖类化合物，即光合作用。光合作用将太阳能转变成化学能（主要是糖类化合物），是自然界规模最大的一种能量转换过程。,新陈代谢与糖类的分解有密切的联系，因为糖类的分解对生物体来讲，具重要的意义。,糖类作为能源物质Energystores(e.g.starch,glycogen).生物细胞的各种代谢活动，包括物质分解和合成都需要有足够的能量，其中ATP是糖类降解时通过氧化磷酸化作用而形成的最重要的能量载体物质。生物细胞只能利用高能化合物（主要是ATP）水解时释放的化学能来做功，以满足生长发育等所需要的能量消耗。,2.作为合成生物体内重要代谢物质的碳架和前体Itprovidesprecursorsforthebiosynthesisofglucose,aminoacids,nucleotides,fattyacids,sterols,hemegroups,etc.葡萄糖、果糖等在降解过程中除了能提供大量能量外，其分解过程中还能形成许多中间产物或前体，生物细胞通过这些前体产物再去合成一系列其它重要的物质，包括：(1)乙酰辅酶A、氨基酸、核苷酸等，它们分别是合成脂肪、蛋白质和核酸等大分子物质的前体。(2)生物体内许多重要的次生代谢物、抗性物质，如生物碱、黄酮类等物质，它们对提高植物的抗逆性（抗旱等）起着重要的作用。次生代谢物（secondarymetabolites）是指某些植物或微生物生长到稳定期前后，以结构简单、代谢途径明确、产量较大的初生代谢物为前体，通过复杂的次生代谢途径所合成的各种结构复杂的化合物。,3.细胞中结构物质Structural(e.g.Celluloseisthestructuralcomponentoftheprimarycellwallofgreenplants,chitininarthropodexoskeletonsandfungalwalls).如：植物细胞壁等是由纤维素、半纤维素、果胶质等物质组成；甲壳质或几丁质为N-乙酰葡萄糖胺的同聚物，是组成虾、蟹、昆虫等外骨骼的结构物质。这些物质都是由糖类转化物聚合而成。,4.参与分子和细胞特异性识别Recognitionofmoleculesoutsideacell(e.g.attachedtoproteinsorlipidsoncellsurfacemembrane).由寡糖或多糖组成的糖链常存在于细胞表面，形成糖脂和糖蛋白，参与分子或细胞间的特异性识别和结合，如抗体和抗原、激素和受体、病原体和宿主细胞、蛋白质和抑制剂等常通过糖链识别后再进行结合。,糖与多糖,糖类物质是一类多羟基醛或多羟基酮类化合物或聚合物；糖类物质可以根据其水解情况分为：单糖、寡糖和多糖；在生物体内，糖类物质主要以均一多糖、杂多糖、糖蛋白和蛋白聚糖形式存在。,单糖（monosaccharide）是指最简单的糖，即在温和条件下不能再分解成更小的单体糖，如葡萄糖、果糖等。按碳原子的数目单糖又可分为三碳（丙）糖、四碳（丁）糖、五碳（戊）糖、六碳（已）糖、七碳（庚）糖等。最简单的单糖是甘油醛和二羟基丙酮。单糖是构成各种糖分子的基本单位。,Allbutonecarbonatomhaveanalcohol(OH)groupattached.Theremainingcarbonatomhasanaldehydeorketonegroupattached.Trioses:(e.g.glyceraldehydes),intermediatesinrespirationandphotosynthesis.Tetroses:rare.Pentoses:(e.g.ribose),usedinthesynthesisofnucleicacids(RNAandDNA),co-enzymes(NAD,NADP,FAD)andATP.Hexoses:(e.g.glucose,fructose),usedasasourceofenergyinrespirationandasbuildingblocksforlargermolecules.,重要的己糖包括：葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖等。,-D-吡喃葡萄糖,-D-吡喃半乳糖,单糖的结构,-D-吡喃甘露糖,-D-呋喃果糖,Ringform:Duetothebondanglesbetweenthecarbonatoms,itispossibleforpentosesandhexosestoformstableringstructures.Thecarbonatomsarenumbered1to5inpentosesand1to6inhexoses.DependingontheorientationoftheOHgrouponcarbon1,themonosaccharidecanhaveeitherorconfigurations.,。,-与-的区别在于半缩醛羟基的方位，半缩羟基与C-6的CH2OH在环的平面同一方为，不在平面同一方为。,Theseareformedwhentwomonosaccharidesarecondensedtogether.OnemonosaccharidelosesanHatomfromcarbonatomnumber1andtheotherlosesanOHgroupfromcarbon4toformthebond.Thereaction,whichiscalledacondensationreaction,involvesthelossofwater(H2O)andtheformationofan1,4-glycosidicbond.Dependingonthemonosaccharidesused,thiscanbean-1,4-glycosidicbondora-1,4-glycosidicbond.,Disaccharide,麦芽糖,-葡萄糖（14）葡萄糖苷,寡糖（二糖）,maltoseisthefirstproductofstarchdigestionandisfurtherbrokendowntoglucosebeforeabsorptioninthehumangut.,蔗糖,-葡萄糖（12）-果糖苷,Sucroseisusedinmanyplantsfortransportingfoodreserves,oftenfromtheleavestootherpartsoftheplant.,乳糖,乳糖（半乳糖-1,4-葡萄糖）,Lactoseisthesugarfoundinthemilkofmammals,(1).淀粉（分为直链淀粉和支链淀粉）直链淀粉分子量约1万-200万，250-260个葡萄糖分子，以（14）糖苷键聚合而成。呈螺旋结构，遇碘显紫蓝色。支链淀粉中除了（14）糖苷键构成糖链以外，在支点处存在（16）糖苷键，分子量较高。遇碘显紫红色。,多糖,淀粉是白色无定形粉末，由直链淀粉（占1030%）和支链淀粉（占7090%）组成。直链淀粉能溶于热水而不呈糊状，支链淀粉不溶于水，热水与之作用则膨胀而成糊状。溶于水的直链淀粉呈弯曲形式，并借分子内氢键卷曲成螺旋状。这时加入碘酒，其中碘分子便钻入螺旋当中空隙，并借助范得华力与直链淀粉联系在一起，从而形成络合物。这种络合物能比较均匀地吸收除蓝光以外的其它可见光（波长范围为400750nm），从而使淀粉变为深蓝色。,淀粉,a-1,4-糖苷键,a-1,6-糖苷键,(2)纤维素由葡萄糖以（14）糖苷键连接而成的直链，不溶于水。(3)几丁质（壳多糖）N-乙酰-D-葡萄糖胺，以（14）糖苷键缩合而成的线性均一多糖。,几丁质,多糖和寡聚糖的酶促降解,多糖和寡聚糖只有分解成小分子后才能被吸收利用，称为糖化。,淀粉分解有两条途径：,水解产生葡萄糖,磷酸解产生磷酸葡萄糖,以磷酸代替水使淀粉分解形成1-磷酸葡萄糖的过程称淀粉的磷酸解，它是细胞内多糖的主要降解方式。,a-淀粉酶：（a-1,4-葡聚糖水解酶）,可水解a-1,4-糖苷键，所以又称为内切淀粉酶。该酶对非还原末端的5个葡萄糖基不发生作用，Ca2+需要。,(1)淀粉酶：（amylase),参与淀粉水解的酶主要有三种：淀粉酶、脱支酶、麦芽糖酶,-淀粉酶：也水解a-1,4-糖苷键，但须从非还原末端开始切，每次切下两个葡萄糖基。又称为外切淀粉酶。,(2)脱支酶(R-酶)：（a-1,6-葡萄糖苷酶Glucosidase）,水解a-1,6-糖苷键，但只能作用于外围的这种键，而不能水解内部的分支。,植物体内的麦芽糖酶通常与淀粉酶同时存在，并配合使用，从而使淀粉彻底水解成葡萄糖。,(3)麦芽糖酶：maltase,Hydrolysisofglycogenandstarchby-amylaseand-amylase,小肠中各种糖类水解酶的作用,麦芽糖,2葡萄糖,麦芽糖酶,蔗糖,葡萄糖+果糖,蔗糖酶,乳糖,葡萄糖+半乳糖,乳糖酶,线形寡糖,-葡萄糖苷酶,葡萄糖,异麦芽糖、-极限糊精,糊精酶、脱支酶,葡萄糖,Storage,Pentosephosphatepathway,Glycolysis,Glycogen,Starch,Sucrose,Pyruvate,Ribose5-phosphate,葡萄糖的主要代谢途径,葡萄糖,丙酮酸,乳酸,乙醇,乙酰CoA,6-磷酸葡萄糖,磷酸戊糖途径,糖酵解,（有氧）,（无氧）,（有氧或无氧）,糖异生,葡萄糖的分解代谢,生物体内葡萄糖（糖原）的分解主要有三条途径：,无O2情况下，葡萄糖（G）丙酮酸（Pyr）乳酸（Lac）有O2情况下，GCO2+H2O（经三羧酸循环）有O2情况下，GCO2+H2O（经磷酸戊糖途径）,二、糖酵解（glycolysis）,1、化学历程和催化酶类2、化学计量和生物学意义,糖酵解是将葡萄糖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的途径。该途径也称作Embden-Meyethof途径，以纪念Embden和Mayerholf。,糖酵解是最早阐明的酶促反应系统，所有生物体共同经历的葡萄糖分解代谢前期途径，也是有些生物在供氧不足的条件下为机体提供能量，供应急需要。,Glycolysis,Glycolysisisanalmostuniversalcentralpathwayofglucosecatabolism,thepathwaywiththelargestfluxofcarboninmostcells.Insomemammaliantissues(erythrocytes红细胞,renalmedulla,brain,sperm),theglycolyticbreakdownofglucoseisthesolesourceofmetabolicenergy.Someofthestarch-storingtissues,likepotatotubers,andsomeaquaticplantsderivemostoftheirenergyfromglycolysis.Manyanaerobicmicroorganismsareentirelydependentonglycolysis.,TheDevelopmentofBiochemistryandtheDelineationofGlycolysisWentHandbyHand,1854-1864LouisPaster“microorganism”and“ferment”1897,EdwardandHansBuchner(Germany),accidentalobservation:sucrose(asapreservative)wasrapidlyfermentedintoalcoholbycell-freeyeastextract.Noliveyeast！Butlowactivity.GlucoseAlcohol+CO2Theacceptedviewthatfermentationisinextricablytiedtolivingcells(i.e.,thevitalisticdogma)wasshakenandBiochemistrywasborn:Metabolismbecamechemistry!1900s,(ArthurHardenandWilliamYoung)Piwasneededforyeastjuicetofermentglucose,ahexosediphosphate(fructose1,6-bisphosphate)wasisolated.thenFructose-6-PandGlucose-6-Pwasisolated.,LouisPasteur,LouisPasteurwasbornin1822France.Hisdiscoverythatmostinfectiousdiseasesarecausedbygerms,knownasthegermtheoryofdisease,isoneofthemostimportantinmedicalhistory.Hisworkbecamethefoundationforthescienceofmicrobiology,andacornerstoneofmodernmedicine.,EachdiscoveryinthebodyofPasteursworkrepresentsalinkinanuninterruptedchain,beginningwithmolecularasymmetryandendingwithhisrabiesprophylaxis,bywayofhisresearchinfermentation,silkworm,wineandbeerdiseases,asepsisandvaccines.,In1847attheageof26,Pasteurdidhisfirstworkonmolecularasymmetry.Heformulatedafundamentallaw:asymmetrydifferentiatestheorganicworldfromthemineralworld.Inotherwords,asymmetricmoleculesarealwaystheproductoflifeforces.Hisworkbecamethebasisofanewscience-stereochemistry.Hesoondemonstratedthateachsortoffermentationislinkedtotheexistenceofaspecificmicroorganismorferment-alivingbeingthatonecanstudybycultivationinanappropriate,sterilemedium.Thisinsightisthebasisofmicrobiology.hediscoveredtheexistenceoflifewithoutoxygen:“Fermentationistheconsequenceoflifewithoutair”.Thediscoveryofanaerobiclifepavedthewayforthestudyofgermsthatcausesepticemia（败血症）andgangrene（坏疽）,amongotherinfections.ThankstoPasteur,itbecamepossibletodevisetechniquestokillmicrobesandtocontrolcontamination.eachdiseaseiscausedbyaspecificmicrobeandthatthesemicrobesareforeignelements.Withthisknowledge,Pasteurwasabletoestablishthebasicrulesofsterilizationorasepsis.Preventingcontagionandinfection,hismethodofsterilizationrevolutionizedsurgeryandobstetrics.,4.From1877to1887,Pasteuremployedthesefundamentalsofmicrobiologyinthebattleagainstinfectiousdiseases.Hewentontodiscoverthreebacteriaresponsibleforhumanillnesses:staphylococcus,streptococcusandpneumococcus.5.LouisPasteurdiscoveredthemethodfortheattenuationofvirulentmicroorganismsthatisthebasisofvaccination.Aftermasteringhismethodofvaccination,heappliedthisconcepttorabies.OnJuly6,1885,Pasteurtestedhispioneeringrabiestreatmentonmanforthefirsttime:theyoungJosephMeisterwassaved.6.OnMarch1,1886,PasteurpresentedtheresultsofhisrabiestreatmenttotheAcademyofSciencesandcalledforthecreationofarabiesvaccinecenter.Anextensive,internationalpublicdriveforfundsfinancedtheconstructionofthePasteurInstitute,aprivate,state-approvedinstituterecognizedbythePresidentofFrancein1887.,1900s,ArthurHardenandWilliamYoung(GreatBritain)separatedtheyeastjuiceintotwofractions:oneheat-labile,nondialyzablezymase(enzymes)andtheotherheat-stable,dialyzablecozymase(metalions,ATP,ADP,NAD+).1910s-1930s,GustavEmbdenandOttoMeyerhof(Germany),studiedmuscleanditsextracts:Reconstructedallthetransformationstepsfromglycogentolacticacidinvitro;revealedthatmanyreactionsoflacticacid(muscle)andalcohol(yeast)fermentationswerethesame!DiscoveredthatlacticacidisreconvertedtocarbohydrateinthepresenceofO2(gluconeogenesis);observedthatsomephosphorylatedcompoundsareenergy-rich.Thewholepathwayofglycolysis(Glucosetopyruvate)waselucidatedbythe1940s,葡萄糖的主要代谢途径,葡萄糖,丙酮酸,乳酸,乙醇,乙酰CoA,6-磷酸葡萄糖,磷酸戊糖途径,糖酵解,（有氧）,（无氧）,（有氧或无氧）,糖异生,糖酵解作用,糖酵解是葡萄糖通过一系列的生化反应，逐步氧化成小分子化合物，并释放出能量合成ATP的过程。糖酵解途径从葡萄糖开始，到生成2分子丙酮酸为止，在途径的前期消耗2分子ATP，后期合成4分子ATP，所以途径运行的结果，1分子葡萄糖可以产生2分子ATP。,无氧呼吸,糖酵解途径是呼吸途径的一部分，其产物丙酮酸有多种去向，在酵母菌中，丙酮酸转变成乙醇和CO2；在肌肉中，丙酮酸转变成乳酸。从丙酮酸到乙醇及从丙酮酸到乳酸的代谢途径是在无氧条件下进行的，所以把糖酵解途径加上丙酮酸转变成乙醇或乳酸称为无氧呼吸。,C6H12O6,-2（2H）,2CH3COCOOH（Pyr）,2CH3CH(OH)COOH,+2(2H),-2CO2,酵解Glycolysis,2CH3CHO,2CH3CH2OH,生醇发酵Fermentation,有氧呼吸,在有氧条件下，丙酮酸进入柠檬酸循环途径，在柠檬酸途径中彻底氧化成CO2。柠檬酸途径中产生的NADH进入呼吸电子传递链，在呼吸电子传递链中产生大量的ATP，最终将NADH中的电子交给O2，生成H2O。所以把糖酵解途径、柠檬酸循环加上呼吸电子传递链合称为有氧呼吸途径。,三、糖酵解过程概述,由葡萄糖经历丙酮酸最后生成乳酸，称为酵解过程，其碳原子的变化可作如下概括：,CCCCCCCCC+CCC123456123456葡萄糖（六碳糖）三碳糖三碳糖CH3CH(OH)COO+CH3CH(OH)COO123654乳酸乳酸,（酵解过程）,发酵过程,由葡萄糖经历丙酮酸最后生成乙醇，称为发酵过程，其碳原子的变化可作如下概括：,CCCCCCCCC+CCC123456123456葡萄糖（六碳糖）三碳糖三碳糖CH3CH2OH+CO2+CH3CH2OH+CO2123654乙醇乙醇,酵解途径的能量代谢,从能量的观点出发，可以将酵解过程划分为两个方面，一方面从葡萄糖转变为乳酸是物质的分解过程，伴有自由能的释放。另一方面有ATP的合成，这是吸收能量的过程。葡萄糖2乳酸G10=196.7kj/mol2ADP+2Pi2ATP+2H2OG20=61.1kj/mol总能量变化为G0=G10+G20=135.6kj/mol其中由ATP捕获的能量的比例为61.1/196.7100%=31%,四、糖酵解全过程图解,糖酵解途径中磷酸化中间产物的意义,应该引起注意的是，糖酵解过程中由葡萄糖到所有的中间产物都是以磷酸化合物的形式反应的。中间产物磷酸化至少有三种意义：带有负电荷的磷酸基团使中间产物具有极性，从而使这些产物不易透过脂膜而失散；磷酸基团在各反应步骤中，对酶来说，起到信号基团的作用，有利于与酶结合而被催化；磷酸基团经酵解作用后，最终形成ATP的末端磷酸基团，因此具有保存能量的作用。,Theoverallglycolysiscanbedividedintotwophases,Thehexoseisfirstphophorylated(thusactivated)andthencleavedtoproducetwothree-carbonintermediatesatthepreparatoryphase,consumingATP.Thethree-carbonintermediatesarethenoxidizedduringthepayoffphase,generatingATPandNADH.,EMP的化学历程,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖,1，6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮,21，3-二磷酸甘油酸,23-磷酸甘油酸,22-磷酸甘油酸,2磷酸烯醇丙酮酸,2丙酮酸,第一阶段,第二阶段,葡萄糖,准备阶段,丙酮酸和ATP生成的过程,Grouptransfer,Isomerization,Grouptransfer,cleavage,Isomerization,Dehydrogenation,Grouptransfer,Groupshift,Dehydration,Grouptransfer,五、糖酵解第一阶段的反应,1.phosphorylationofglucose,Hexokinase(alsoglucokinaseinliver)catalyzesthefirstphosphorylationreactiononthepathway.,这是酵解过程中的第一个调节酶,辅因子：镁离子Mg2+,糖酵解准备阶段的第一个步骤是将葡萄糖磷酸化，利用存在于大部分动植物及微生物细胞内的己糖激酶所催化反应，此反应的标准自由能变化为G0=-4千卡/摩尔，故这在胞内情况是不可逆的反应，将葡萄糖在6号C处被ATP磷酸化，产生葡萄糖-6-磷酸。,作用机制,这是一个磷酸基团转移反应，即ATP的r磷酸基团在己糖激酶的催化下，转移到葡萄糖分子上。葡萄糖C6上的羟基O上的一对孤电子向Mg-ATP的r-P进攻，r-P具有亲电子是由于Mg吸引了ATP上磷酸基团的两个O的负电荷，结果是促使r-P与b-P之间氧桥所共有的电子对向O转移，ATP上r-P与氧桥断键，并与葡萄糖结合成G-6-P。激酶：能够在ATP和任何一种底物之间起催化作用，转移磷酸基团的一类酶。肝脏中存在一种专一性强的葡萄糖激酶，对于维持血糖的恒定起作用。,己糖激酶和葡萄糖激酶,催化这个反应的酶有己糖激酶和葡萄糖激酶。a)己糖激酶以六碳糖为底物，其专一性不强，不仅可以作用于葡萄糖，还可以作用于D-果糖和D-甘露糖。己糖激酶像其他激酶一样，需要Mg2+或其他二价金属离子活化。实际上Mg2+与ATP形成的复合物才是酶的真正底物。b)葡萄糖激酶：存在于肝细胞中。它对D-葡萄糖有特异活性。肌肉己糖激酶对D-葡萄糖的Km值为0.1mM，肝葡萄糖激酶的Km约为10mM。细胞内葡萄糖浓度通常为5mM，此时己糖激酶的酶促反应已达最大速度，而葡萄糖激酶仍不活跃。只有当进食后，肝细胞内葡萄糖浓度高时葡萄糖激酶才起作用，将葡萄糖转化为G-6-P，再以糖原形式贮存于细胞中。葡萄糖激酶是一个诱导酶，由胰岛素促使其合成。,HK与G结合的诱导契合作用：,Theconformationofhexokinasechangesmarkedlyonbindingglucose(showninred).Thetwolobesoftheenzymecometogetherandsurroundthesubstrate.,X-晶体衍射研究表明，在己糖激酶催化反应时有构象变化，其变化大致是，酶与葡萄糖结合时，结合裂缝两侧的酶叶关紧，糖被酶蛋白环绕造成非极性环境，从而促使ATP的磷酰基转移，防止水作为底物攻击ATP。这种底物诱导的裂缝关闭现象是激酶的共同特性。,酶的别构（变构）效应示意图,效应剂,别构中心,活性中心,己糖激酶是一个别构酶，被其产物G-6-P强烈抑制。它催化的反应是酵解中第一个调节步骤。,2.Isomerizationofglucose6-phosphate,Phosphohexoseisomerase(alsocalledphosphoglucoseisomerase)catalyzestheisomerizationfromglucose6-Ptofructose6-P,convertinganaldosetoaketose.,这个同分异构化反应由葡萄糖异构酶催化。葡萄糖C1上的羰基，不像C6上羟基那样容易磷酸化，将羰基从C1转移到C2，是葡萄糖分子由醛式变为酮式，C1形成了自由羟基,更容易在下一个反应中磷酸化。由于此反应标准自由能变化很小，反应是可逆的。反应方向由底物和产物的量来控制。该酶的活性部位的催化残基为赖氨酸和组氨酸，催化的实质为酸碱催化机制。反应需要Mg+，形成一个烯醇中间物。磷酸葡萄糖异构酶有绝对的专一性和立体专一性，6-磷酸葡糖酸等都是它的抑制剂。,3.Phosphorylationoffructose6-phosphate:thefirstcommittedstepinglycolysis,Phosphofructokinase-1(PFK-1,磷酸果糖激酶-1)thencatalyzesthesecondphosphorylationstep,convertingfructose6-Ptofructose1,6-bisphosphate;theoverallrateofglycolysisismainlycontrolledatthisstep;PFK-1isahighlyregulatoryenzyme;theplantPFK-1makesuseofPi,insteadofATPatthisstep.,（三）果糖-6-磷酸形成果糖-1,6-二磷酸,这一步反应是酵解中的关键反应步骤，反应是放能的，在体内是不可逆的。磷酸果糖激酶是酵解限速酶。磷酸果糖激酶是分子量为360000的四聚体。它是一个别构酶，ATP，柠檬酸，脂肪酸对此酶有抑制效应。AMP，ADP或无机磷可消除抑制，增加酶的活性。,糖酵解过程的第二个调节酶也是酵解中的限速酶,限速酶/关键酶(rate-limitingenzyme/keyenzyme),1.催化非可逆反应,特点,2.催化效率低,3.受激素或代谢物的调节,4.常是在整条途径中催化初始反应的酶,5.活性的改变可影响整个反应体系的速度和方向,EM途径的限速酶：磷酸果糖激酶,磷酸果糖激酶是一种变构酶，受很多因素的控制：如：肝中的磷酸果糖激酶受高浓度ATP的抑制，ATP可降低该酶对F-6-P的亲和力，是由于ATP结合到酶的一个特殊的调控部位上，调节部位不同于催化部位。但是ATP对该酶的变构抑制作用可被AMP解除，因此ATP/AMP的比例对该酶有明显的调节作用；H+浓度对酶活性的影响，当pH下降时，H+对该酶有抑制作用，在生物体内有重要的生物学意义，因为通过它阻止整个酵解途径的继续进行，从而防止乳酸的急剧形成；这又可以防止血液pH的下降，有利于避免酸中毒。磷酸果糖激酶有三种同工酶：同工酶A存在于心肌和骨骼中，同工酶B存在于肝和红细胞中，同工酶C存在于脑中。,4.Cleavageoffructose1,6-bisphosphate,1,6-二磷酸果糖醛缩酶催化的反应G0为+24kJ/mol，反应易于向左进行，这是醛缩酶名称的由来。凡是连接两个羰基化合物，例如一个醛和一个酮化合物形成一个醛醇化合物就是醛缩反应。在正常生理条件下，由于3-磷酸甘油醛不断转化成丙酮酸，大大降低了细胞中3-磷酸甘油醛浓度，从而驱动反应向裂解方向进行。Aldolase(醛缩酶),namedforthereversereactioncatalyzesthecleavage(“lysis”)offructose1,6-bisphosphatefromthemiddleC-Cbondtoformtwo3-carbonsugars,dihydroxyacetonephosphateandglyceraldehyde3-phosphate;thisisareversalaldolcondensationreaction.,作用机制,F-1,6-2P的羰基与酶活性部位赖氨酸的e氨基发生反应，形成一个亚胺阳离子，即质子化的西佛碱C3和C4发生醇醛断裂形成酶的烯胺中间体并释放出甘油醛-3-P(GAP)西佛碱的烯胺发生异构，形成亚胺阳离子亚胺水解放出二羟丙酮磷酸，又形成了游离的酶有两类醛缩酶：I类醛缩酶，存在于动物与植物中，以及II类醛缩酶，存在于真菌和细菌中；,5.Interconversionofthetriosephosphate,Triosephosphateisomeraseconvertsdihydroacetonephosphatetoglyceraldehyde3-phosphate;磷酸三碳糖中只有3-磷酸甘油醛能继续进入酵解途径。磷酸二羟丙酮可在磷酸丙糖异构酶的催化下迅速转化成3-磷酸甘油醛。,（五）二羟丙酮磷酸转变为甘油醛-3-磷酸,丙糖磷酸异构酶,单烯二羟负离子中间体,六、酵解第二阶段的反应,6.Oxidationofglyceraldehyde3-phosphateto1,3-bisphosphoglycerate,Glyceraldehyde3-phosphatedehydrogenasecatalyzesfirsttheoxidationandthenthephosphorylationofglyceraldehyde3-Ptoformglycerate1,3-bisphosphate,anacylphosphate(酰基磷酸);thephosphategrouplinkedtothecarboxylgroupviaaanhydridebondhasahightransferpotential.,（一）甘油醛-3-磷酸氧化成1,3-二磷酸甘油酸,甘油醛-3-磷酸脱氢酶,砷酸盐是磷酸的类似物，可以代替磷酸结合到甘油酸的1位，并很快水解，使得不能形成1,3-二磷酸甘油酸，不能产生ATP，导致解偶联。,甘油醛-3-磷酸1,3-二磷酸甘油酸,糖酵解中唯一的脱氢反应,磷酸甘油醛脱氢酶活性位置上半胱氨酸残基的-SH基是亲核基团，它与醛基作用形成中间化合物，可将羟基上的氢移至与酶紧密结合的NAD+上，从而产生NADH和高能硫酯中间物。然后NADH从酶上解离下来，另一个NAD+与酶活性位置结合，磷酸攻击硫酯键就形成1，3-二磷酸甘油酸。,碘乙酸和重金属可强烈抑制磷酸甘油醛脱氢酶的活性。因为碘乙酸可与-SH基反应，说明这个酶很可能有一个或多个必须巯基。,7.Phosphoryltransferfrom1,3-bisphosphoglyceratetoADP,Thephosphoglyceratekinasecatalyzesthedirecttransferoftheanhydridephosphatein1,3-BPGtoanADPtogenerateanATP;thisiscalledthesubstrate-levelphosphorylation;1,3-BPGisahighenergyintermediatethatleadstoATPformation.,底物水平磷酸化是指物质在生物氧化过程中生成的一些含有高能键的化合物，它们可以不经电子传递链，而直接偶联ATP或GTP的合成，这种反应称为底物水平磷酸化。,Substrate-levelphosphorylationsolubleenzymeschemicalintermediatesRespiration-linkedphosphorylationPhotophosphorylationmembrane-boundenzymestransmembranegradientsofprotons,TheformationofATPbyphosphorylgrouptransferfromasubstrateisreferredtoasasubstrate-levelphosphorylation,3-磷酸甘油酸激酶,糖酵解中第一次底物水平磷酸化反应,ADP,ATP,1,3-二磷酸甘油酸,P,（二）1,3-二磷酸甘油酸转移高能磷酸基团形成ATP,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；,8.Conversionof3-phosphoglycerateto2-phosphoglycerate,Thephosphoglyceratemutasereaction,Thephosphoglyceratemutasecatalyzestheshiftofphosphorylgroupon3-phosphoglyceratefromC-3toC-2.,3-磷酸甘油酸(3-phosphoglycerate),磷酸甘油酸变位酶,2-磷酸甘油酸(2-phosphoglycerate),（三）3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸,凡是催化分子内化学功能基团的位置移动的酶都称为变位酶。,9.Dehydrationof2-phosphoglyceratetophosphoenolpyruvate,Enolase(烯醇酶)catalyzestheeliminationofaH2Ofrom2-phosphoglyceratetogeneratephosphoenolpyruvate(PEP)withthetransferpotentialofthephosphorylgroupdramaticallyincreased(G0changedfrom17.6to61.9kJ/mol).,2-磷酸甘油酸(2-phosphoglycerate),氟化物能与Mg2+络合而抑制此酶活性,P,H2O,(四)2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸,烯醇化酶催化的脱水反应是一个可逆反应，反应的自由能变化很小，但是分子内能重新分布的变化很大。2-磷酸甘油酸中的磷酸键是一个低能键，其水解的标准自由能变化是-17.6kJ/mol。磷酸烯醇式丙酮酸中的磷酰烯醇键是高能键，其水解的标准自由能的变化为-62.1kJ/mol，因此这一步反应显著地提高了磷酰基的转移势能。磷酸烯醇丙酮酸在热力学上很不稳定。烯醇化酶分子量是88000，是由两个亚基组成的二聚体，可与Mg+或Mn+紧密结合。由于F-能与Mg+形成络合物并结合在酶上，因此可抑制酶的活性。,10.TransferofthephosphorylgroupfromphosphoenolpyruvatetoADP,Thepyruvatekinase(namedforthereversereaction)catalyzesthetransferofthephosphorylgrouponPEPtoADPtoformanothermoleculeofATPby“substrate-levelphosphorylation”;enolpyruvateisformedandisquicklytautomerizedtopyruvate(丙酮酸).,丙酮酸激酶PK,糖酵解过程的第三个调节酶，也是第二次底物水平磷酸化反应,Mg2+或Mn2+,P,（五）磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸并产生一个ATP分子,烯醇式丙酮酸(enolpyruvate),丙酮酸激酶反应是一个代谢调节位点。丙酮酸激酶的缺失造成磷酸烯醇丙酮酸的累积，导致其他代谢中间物的累积，包括2，3-二磷酸甘油酸。2，3-二磷酸甘油酸调节血红蛋白的氧亲合力。丙酮酸激酶的缺失造成氧运输问题。丙酮酸激酶的缺失是一种遗传病。在脊椎动物肝中，丙酮酸激酶是分子量约为250000的四聚体，受变构调节。酶活力受高浓度ATP抑制，受1，6-二磷酸果糖激活。在肝中这个酶的合成受饮食中糖的控制。肝中丙酮酸激酶活力也受酶蛋白的磷酸化和脱磷酸化调节。脱磷酸化的丙酮酸激酶活力较高。,糖酵解中的不可逆反应,葡萄糖经已糖激酶催化生成6磷酸葡萄糖G=-33.5kJ/mol2.6磷酸果糖经磷酸果糖激酶催化生成1，6二磷酸果糖G=-22.2kJ/mol3.磷酸烯醇式丙酮酸经丙酮酸激酶生成丙酮酸G=-16.7kJ/mol,1.糖酵解的第一步磷酸化反应，消耗一分子的ATP水解所产生的能量来驱动该反应的进行催化反应的酶：己糖激酶（在肝脏中存在一种特异性高的葡萄糖激酶），也是第一个调节酶，受产物G-6-P的别构抑制在激酶与底物结合时，会发生酶叶关闭现象。2.异构化反应，反应的意思是为了活化第一个C原子3.糖酵解的第二步磷酸化反应，催化反应的酶：磷酸果糖激酶（PFK-1）第二个调节酶，同时是反应的关键酶（概念），受很多因素的限制，ATP对其抑制机理，AMP能解除这种抑制作用，柠檬酸和脂肪酸都有抑制作用，还有H+的抑制的生理学意义。4.由醛缩酶（概念）催化的断裂反应，自由能0,由于3-P-甘油醛不断被消耗，反应向着产物进行的方向。在这步由一分子六碳糖生成两分子三碳糖。5.只有3-P-甘油醛能够进入后续的反应，所以需要一个异构化酶。,6.甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化的糖酵解中唯一一个脱氢反应，第一个氧化还原反应，酶的活性集团是具有亲核作用的SH，能够与醛基形成中间物，将氢转移给NAD+生成NADH。两个抑制剂分别为：砷酸盐和碘乙酸，但机理不同。7.第一步底物水平磷酸化，底物水平磷酸化是指物质在生物氧化过程中生成的一些含有高能键的化合物，它们可以不经电子传递链，而直接偶联ATP或GTP的合成，这种反应称为底物水平磷酸化。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8.由磷酸甘油酸变位酶（概念）催化的磷酸基团变位反应，催化基团是组氨酸，通过磷酸化活化生成2,3-二磷酸甘油酸9.烯醇化酶催化的一个脱水反应，生成了酵解途径中的第二个高能磷酸化合物，磷酸烯醇式丙酮酸。氟化物是其抑制剂。10.丙酮酸激酶催化的第二个底物水平磷酸化，也是反应体系的第三个调节酶。受高浓度ATP抑制，受1，6-二磷酸果糖激活。丙酮酸的缺失会造成2,3-二磷酸甘油酸的积累，影响血红蛋白的氧亲和力，造成氧运输问题。,七、由葡萄糖转变为两分子丙酮酸能量转变的估算,总反应式为：葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H+2H2O,C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi2C3H4O3+2NADH+2H+2ATP+2H2O,能量计算：氧化一分子葡萄糖净生成2ATP2NADH5ATP或3ATP,糖酵解过程中ATP的生成：,2,葡萄糖6-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖1,6-二磷酸果糖,磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸,-1,1,-1,2,1,1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸,1.phosphorylationofglucose,Hexokinase(alsoglucokinaseinliver)catalyzesthefirstphosphorylationreactiono