生物化学课件：11 糖酵解

1、第11章 糖代谢,生物化学,糖酵解,第一节 生物体内的糖类,一、糖的概念,糖是多羟基醛与多羟基酮及其衍生物或聚合物的总称,含有不同碳原子数的单糖都有其醛糖和酮糖形式,由通式看好象糖是由C + H2O组成的，所以起初人们认为糖是碳的“水化物”，所以把糖又称为碳水化合物,单糖结构通式,通式：Cn(H2O)n,n3,单糖的D- / L-构型,单糖的构型以甘油醛为参照标准，甘油醛C2为手性碳，与其相连的-OH在右边的为D-型、在左边的为L-型,天然单糖大多数是 D-型糖,单糖的构型由于手性碳往往不止一个，因而规定：离羰基最远的不对称C上的-OH判定糖的构型，在右边的为D型、在左边的为L型。,D-果糖,

2、更多的立体化学,在各种旋光异构体之中，互为镜像的一对异构体称为对映异构体； 一个或一个以上的手性C原子构型相反，但并不呈镜像关系的一对异构体称为非对映异构体； 只有一个手性C原子的构型不同的一对异构体称为差向异构体，如D-葡萄糖与D-甘露糖，D-葡萄糖与D-半乳糖就互为差向异构体。,葡萄糖的差向异构体,需要熟悉结构的单糖,葡萄糖：是一种标准的六碳糖 半乳糖：是葡萄糖的差向异构体 甘露糖：是葡萄糖的差向异构体 核糖：是一种标准的五碳糖 阿拉伯糖：是核糖的差向异构体 木糖： 是核糖的差向异构体 果糖：是葡萄糖的酮糖形式,链环式互变规则： 碳原子顺序按顺时针方向排列。 Fischer式右边基团写在H

3、aworth式的平面下方 （左上右下） 。 羟甲基在平面上方为D型，在平面下方为L型。 不论是D型还是L型，异头碳羟基与末端羟甲基是反式的为-构型，顺式为-构型。,Haworth透视式,Fischer投影式,单糖 (monosacchride)：不能水解为更小分子糖的糖。 如葡萄糖、果糖、核糖,二、糖的分类,寡糖 (oligosacchride)：可以水解产生少数的几个单糖的聚合物，一般含有2-6个单糖分子。如双糖：麦芽糖，蔗糖,多糖 (polysacchride)：也是单糖的聚合物，有较长的链。如淀粉、糖原、纤维素,根据水解后产生单糖残基分类,结合糖(复合糖)：分子中除糖之外，还有其它非糖组

4、 分构成的复合多糖。如脂多糖、糖蛋白等,衍生糖：糖的衍生物。如：糖酸、糖醇、糖胺等。,按照所带官能团的性质分为： 醛糖（葡萄糖） 酮糖（果糖）,按照糖分子的含碳原子数分： 丙糖（甘油醛） 丁糖（赤藓糖） 戊糖（核糖、脱氧核糖等） 己糖（葡萄糖、果糖、半乳糖等） 庚糖,单糖的分类,常见的单糖或衍生物的名称和缩写,寡 糖 根据所含单糖分子数目 双糖：蔗糖、麦芽糖、乳糖 三糖：棉籽糖 ,麦芽糖（ maltose ）：由两个-D-葡萄糖通过-1,4糖苷键连接而成。,Glc(14)Glc,Glc(12) Fru,蔗糖（ Sucrose ）： 由-D-glc与-D-fru通过各自的异头碳羟基连接。,半缩醛

5、羟基,多糖由单糖或单糖衍生物聚合而成，单糖分子以糖苷键相连。一般无甜味、无还原性、有旋光性，但无变旋现象。,同多糖,杂多糖,同多糖（均一性多糖）： 由一种单糖聚合而成,糖原 淀粉 纤维素,(1,4),-1,4,主链上每12-25个Glc就有一个分支,直链淀粉,支链淀粉/糖原,纤维素的分子结构,一些细菌和真菌能分泌纤维素酶,大多数动物都缺乏纤维素酶，但有些动物（如白蚁和反刍动物）可以利用体内共生微生物分泌的纤维素酶来消化纤维素。,1. 生物体的主要能源物质,如糖可提供合成某些氨基酸、脂肪、胆固醇、核苷等物质的原料。,3. 作为机体组织细胞的组成成分,通过生物氧化提供生命活动需要的能量，能源贮存,

6、2. 提供合成体内其他物质的原料,4. 作为细胞识别的信息分子,糖脂、糖蛋白构成生物膜，纤维素，肽聚糖。,三、糖的生理功能,细胞识别、细胞粘附等,与膜蛋白和膜脂相连的糖通信天线,四、糖的来源,2. 体内糖异生 （由非糖物质转化）,淀粉（糖原）,纤维素（反刍动物）,1. 从食物中获取,葡萄糖分解代谢,糖 酵 解,糖酵解（glycolysis）：在无氧条件下，葡萄糖经酶促作用降解成丙酮酸，并伴随ATP生成的过程。 （动物、植物、微生物细胞中普遍存在，也是葡萄糖分解代谢所经历的共同途径）,糖的共同分解途径,发酵：厌氧生物（酵母和其他微生物）通过厌氧呼吸将葡萄糖降解为酒精（酒精发酵）或乳酸（乳酸发酵）

7、的过程。,酵解与发酵均不需氧的参加，故统称为糖的无氧分解。糖酵解在细胞质中进行。,1940年德国的生物化学家恩伯顿(G. Embden)、迈尔霍夫(O. Meyerhof) 等的努力完全阐明了糖酵解的整个途径。因此糖酵解途径又称Embden-Meyerhof pathway (简称EMP途径),糖酵解是第一个发现的，也是最清楚的代谢途径,从葡萄糖开始，共涉及十步反应，每一步都由一个特定的酶催化，大多数酶都需要Mg2+。,活化： 3步反应 裂解： 2步反应 放能： 5步反应,糖酵解反应过程可分为三个阶段：,（乳酸发酵）,1. 活化阶段磷酸己糖的生成,活化阶段是指葡萄糖经磷酸反应和异构反应生成1,

8、6-二磷酸果糖（F-1,6-BP，FBP）的反应过程。, 葡萄糖(glucose)磷酸化生成6-磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphate, G-6-P) G-6-P异构为6-磷酸果糖（fructose-6-phosphate, F-6-P） F-6-P再磷酸化为 1,6-二磷酸果糖（fructose-1,6-bisphosphate, F-1,6-BP，FBP）,活化阶段由3步反应：,glucose,第一个限速酶,第二个限速酶,1、常是在整条途径中催化初始反应的酶,特点,2、催化不可逆反应,3、催化效率低,4、受激素或代谢物的调节,5、活性的改变可影响整个反应体系的速度,限速酶 /

9、关键酶,Hexokinase exhibits induced fit property,己糖激酶（hexokinase） 第一个限速酶,专一性不强，可催化Glc、Man、Fru磷酸化，反应不可逆 为组成型酶，确保细胞内正常的葡萄糖供应。 受产物葡萄糖-6-磷酸抑制,葡萄糖激酶（ glucokinase ）（肝脏）： （1）只作用于葡萄糖，为诱导酶（胰岛素），对葡萄糖 的亲和性低，葡萄糖浓度较高时作用，促进葡萄糖 合成糖原。 （2）不受产物G-6-P的抑制，但受长链脂酰CoA抑制,作用：促进糖原合成，维持血糖水平,葡萄糖磷酸化反应的意义,磷酸果糖激酶-1是糖酵解三个限速酶中催化效率最低的酶，因

10、此被认为是糖酵解作用最重要的限速酶。,变构激活剂：AMP、ADP、2,6-二磷酸果糖（最强）,变构抑制剂：ATP、柠檬酸、长链脂肪酸,磷酸果糖激酶-1( phosphofructokinase-1,PFK-1),ATP既是底物又是变构抑制剂怎么实现？,结合部位不同,第二个调节酶,PFK-2 催化生成F-2,6-P,2.裂解阶段磷酸丙糖的生成,一分子FBP裂解为两分子可以互变的磷酸丙糖（triose phosphate)，包括两步反应：, F-1,6-P 裂解为3-磷酸甘油醛(glyceraldehyde-3-phosphate)和磷酸二羟丙酮(dihydroxy-acetone phospha

11、te)； 磷酸二羟丙酮异构为3-磷酸甘油醛。,F-1,6-P,醛缩酶以逆反应命名,链式,果糖-1,6-二磷酸,1,6,3.放能阶段丙酮酸的生成, 3-磷酸甘油醛脱氢并磷酸化生成1,3-二磷酸甘油酸（glycerate-1,3-diphosphate)； 1,3-二磷酸甘油酸脱磷酸，将其交给ADP生成ATP ； 3-磷酸甘油酸异构为2-磷酸甘油酸； 2-磷酸甘油酸(glycerate-2-phosphate)脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate, PEP)； 磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）将高能磷酸基交给ADP生成ATP,3-磷酸甘油醛经脱氢、磷酸化、脱水及放能等反应生成

12、丙酮酸，包括五步反应。,。,3-磷酸甘油醛,砷酸（AsO43-）与磷酸（PO43-）结构相似，替代磷酸形成1-砷酸-3-磷酸甘油酸，但其不稳定易水解为3-磷酸甘油酸，这样导致无法形成高能磷酸键，不能生产ATP，但并不影响酵解反应。,解偶联剂：解除氧化和磷酸化的偶联作用,。,底物水平磷酸化,3-磷酸甘油醛,3-P-甘油醛脱氢酶的作用机制,半缩硫醛,硫缩醛,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。,底物水平磷酸化,分解代谢过程中，底物因脱氢、脱水等氧化作用而使能量在分子内部重新分布，形成高能磷酸化合物，并在反应时将高能磷酸基团转移到ADP形成ATP的

13、过程。,2-磷酸甘油酸,底物水平磷酸化,烯醇化酶 需要Mg2+/ Mn2+等二价阳离子激活。 氟化物中的F-可与Mg2+、Pi形成络合物并结合在酶上而产生强烈抑制。,丙酮酸激酶 pyruvate kinase,ATP,丙酮酸激酶,第三个调节酶 变构调节和共价修饰调节,丙酮酸激酶磷酸化失活,糖酵解途径总结,2分子NADH,2分子ATP,NADH+H+的命运,有氧条件下: 通过呼吸链传递氢，最终生成H2O，并生成ATP 无氧条件下: 通过乳酸发酵供氢，解决重氧化 通过乙醇发酵供氢，解决重氧化,葡萄糖酵解的总反应式：,4.还原阶段,（1）乳酸发酵（动物肌肉、乳酸菌）,生物意义： 使NADH重新氧化为

14、NAD+， 消耗糖酵解脱下的 H+ ，保持细胞内的pH稳定。,（2）乙醇发酵（根霉菌、酵母的型发酵）,应用：酿酒等,丙酮酸,乙醛,乙醇,无氧代谢,糖无氧酵解代谢途径的调节主要是通过各种变构剂对三个关键酶/限速酶进行变构调节。,糖酵解的调控,无氧酵解的反应特点,整个过程无氧参加； 三个限速酶； 从葡萄糖开始净生成2分子ATP； 一次脱氢，辅酶为NAD，生成的NADHH中的2H最后又交给丙酮酸生成了乳酸。,无氧酵解的生理意义,是生物体对不良环境条件的一种适应能力，在无氧和缺氧条件下迅速获能，作为糖分解供能的补充途径 不良状态与糖酵解功能 2. 是红细胞和某些组织细胞的主要供能方式； 某些组织细胞与

15、糖酵解供能 3. 在工业、农业生产中具有重要的实践意义,酒、酸奶等,肌肉收缩与糖酵解供能, 肌肉内ATP含量很低。,糖酵解为肌肉收缩迅速提供能量, 肌肉局部血流不足，处于缺氧状态， 有氧代谢受限。, 即使氧不缺乏，葡萄糖进行有氧氧化 的过程比糖酵解长,来不及满足需要。,剧烈运动时,快速收缩的肌肉并不是从无氧酵解获取大量能量，酵解过程基本上是不完全的，丙酮酸和乳酸被释放进入血液。但是当肌肉正在快速收缩时，不能得到足够的氧以维持有氧分解，也就别无选择了。,人初到高原，高原大气压低，易缺氧,机体加强糖酵解以适应高原缺氧环境,海拔 5000米,结论：,初到高原与糖酵解供能,某些病理情况下机体主要通过糖

16、酵解获得暂时能量。,严重贫血、 大量失血、 呼吸障碍、 肺及心血管 等疾病,某些病理状态与糖酵解供能,某些组织细胞与糖酵解供能,糖酵解途径可为抗癌治疗提供靶标,当肿瘤生长时，细胞相互挤在一起并可能切断输送氧气的血管。由于大多数细胞需要氧气来制造大量的能量储存物质ATP，因此这种状况对肿瘤很不利。 因而癌细胞进化出了以无氧糖酵解为主要的供能方式。抑制糖酵解途径可以抑制肿瘤细胞的生长。,Valeria Fantin等，Cancer Cell杂志 （2006年6月）,德国HOR FER VIT PHARMA GMBH药厂,美国科学家首次借助精子驱动纳米机器人,此精微机器人有点像汽车引擎，需要有能量来启动运动。只是此机器是由10排酶小心排列而成的，消耗天然的糖，而不是汽油。它通过糖酵解来产生ATP供能。,将糖酵解酶附着在芯片上,糖酵解小结,1. 糖酵解几乎是生物的公共途径，一分子葡萄糖氧化成两分子丙酮酸，并把能量以ATP和NADH形式贮存。,2. 糖酵解过程有10个酶，全部在胞质中。有10个中间产物，都是磷酸化的六碳或三碳化合物。,