复旦大学生化课件-糖酵解与发酵.ppt

1、D-葡萄糖的代谢 Glucose Metabolism,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Glycolytic pathway，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

2、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2840 kJ/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（Glyco

3、lysis，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 Edward Buchner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Louis Paster统治了近40年的观点，打开了新陈代谢研究之门。1940年Gustar Embden和Otto Meyerhof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Fritz Lipmann和Herman Kalckar完成了对整个代谢途径的研究。,EMP

4、 Pathway,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,The Glycolytic Pathway,Preparatory Phase,Payoff Phase,？,

5、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committed step, key reaction, rate-limiting reaction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AT

6、P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 (phosphoglyceraldehyde dHE)，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）

7、磷酸甘油酸变位酶(phosphoglycerate mutase)，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（-5 mM），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，

8、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（pyruvate kinase），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

9、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

10、,乙醇生成(发酵),Pyruvate decarboxylase,Alcohol dehydrogenase,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NaHSO3 NaHSO3+CH3CHOCH3CH(OH)OSO2Na 2） 将发酵液调至碱性，乙醛在碱性条件下发生歧化反应。 2CH3CHO+NaOHCH3COONa+CH3CH2OH,Glycerol 3-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，

11、Glc2 ethanol+2CO2 （2）肌肉等，Glc2 lactate 2) 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+,N

12、ADH+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-Fructose A. 通过hexokin

13、ase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-P aldolase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+ATPF-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