生物化学第22章

第22章糖酵解作用(Glycolysis)一、糖酵解作用的研究历史二、糖酵解过程概述三、糖酵解和酒精发酵的全过程图解四、糖酵解第一阶段的反应机制五、糖酵解第二阶段——放能阶段的反应机制六、由葡萄糖转变为两分子丙酮酸能量转变的估算七、丙酮酸的去路八、糖酵解作用的调节九、其他六碳糖进入糖酵解途径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。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。呼吸途径示意图二、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：C－C－C－C－C－C→C－C－C+C－C－C123456123456葡萄糖（六碳糖）三碳糖三碳糖→CH3CH(OH)COO－+CH3CH(OH)COO－123654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：C－C－C－C－C－C→C－C－C+C－C－C123456123456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ΔG10’=－196.7kj/mol2ADP+2Pi→2ATP+2H2OΔG20’=＋61.1kj/mol总能量变化为ΔG0’=ΔG10’+ΔG20’=－135.6kj/mol其中由ATP捕获的能量的比例为61.1/196.7×100%=31%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：①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；②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；③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。三、糖酵解和酒精发酵的全过程图解四、糖酵解第一阶段的反应（一）葡萄糖的磷酸化己糖激酶Mg2+葡萄糖葡萄糖—6-磷酸（二）葡萄糖-6-磷酸异构化形成果糖-6-磷酸磷酸葡萄糖异构酶葡萄糖-6-磷酸果糖-6-磷酸（三）果糖-6-磷酸形成果糖-1,6-二磷酸磷酸果糖激酶Mg2+果糖-6-磷酸果糖-1,6-二磷酸（四）果糖-1,6-二磷酸转变为甘油醛-3-磷酸和二羟丙酮磷酸醛缩酶果糖-1,6-二磷酸二羟丙酮磷酸甘油醛-3-磷酸（五）二羟丙酮磷酸转变为甘油醛-3-磷酸丙糖磷酸异构酶五、酵解第二阶段的反应（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（二）1,3-二磷酸甘油酸转移高能磷酸基团形成ATP磷酸甘油酸激酶Mg2+1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸（三）3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶（四）2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸烯醇化酶2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸Mg2+或Mn2+（五）磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸并产生一个ATP分子磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸激酶Mg2+或Mn2+六、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糖酵解过程中各步反应的能量变化反应内容酶ΔG（kj/mol）1.G＋ATP→G-6-P+ADP己糖激酶－33.472.G-6-P→F-6-P磷酸葡糖异构酶－2.513.F-6-P+ATP→F-1,6-2P+ADP磷酸果糖激酶－22.184.F-1,6-2P→DHAP+GAP醛缩酶－1.255.DHAP→GAP丙糖磷酸异构酶＋2.516.GAP+Pi+NAD+→1,3-BPG+NADH+H+甘油醛-3-磷酸脱氢酶－1.677.1,3-BPG+ADP→3-PG+ATP磷酸甘油酸激酶＋1.268.3-PG→2-PG磷酸甘油酸变位酶＋0.849.2-PG→PEP+H2O烯醇化酶－3.3510.PEP+ADP→pyruvate+ATP丙酮酸激酶－16.74七、丙酮酸的去路（一）生成乳酸动物包括人，在激烈运动时，或由于呼吸、循环系统障碍而供氧不足时，缺氧的细胞必需用糖酵解产生的ATP分子暂时满足对能量的需要。为了使甘油醛-3-磷酸继续氧化，必须源源不断地提供氧化型的NAD+，由乳酸脱氢酶催化的丙酮酸还原，正好使NADH氧化，丙酮酸还原成乳酸。丙酮酸生成乳酸的反应乳酸脱氢酶丙酮酸乳酸酵解的总反应式在无氧条件下，每分子葡萄糖代谢形成乳酸的总反应方程式如下：C6H12O6+2ADP+2Pi→2C3H6O3+2ATP+2H2O（二）生成乙醇丙酮酸脱羧酶丙酮酸乙醛1.丙酮酸脱羧形成乙醛（二）生成乙醇1.乙醛还原成乙醇乙醇脱氢酶乙醛乙醇发酵的总反应式在无氧条件下，每分子葡萄糖代谢形成乙醇的总反应方程式如下：C6H12O6+2ADP+2Pi→2C2H5O+2ATP+2H2O+2CO2八、糖酵解作用的调节在代谢途径中，催化基本上不可逆反应的酶所处的部位是控制代谢反应的有力部位。在糖酵解途径中，由己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的反应实际上都是不可逆反应，因此，这三种酶都具有调节糖酵解途径的作用。磷酸果糖激酶是关键酶磷酸果糖激酶受高浓度ATP的抑制，ATP是磷酸果糖激酶的别构抑制剂。柠檬酸抑制磷酸果糖激酶糖酵解除了为生命活动提供能量外，还有为合成各种物质提供碳骨架的作用。柠檬酸含量高时，意味着有丰富的生物合成前体存在。柠檬酸通过加强ATP的抑制效应来抑制磷酸果糖激酶的活性，从而使糖酵解过程减慢。果糖-2,6-二磷酸对酵解的调节作用果糖-2,6-二磷酸是磷酸果糖激酶强有力的变构激活剂。在肝脏中，果糖-2,6-二磷酸提高磷酸果糖激酶与果糖-6-磷酸的亲和力，并降低ATP的抑制效应。果糖-2,6-二磷酸对磷酸果糖激酶的激活作用磷酸果糖激酶2和果糖二磷酸酶2果糖-2,6-二磷酸是由磷酸果糖激酶2催化果糖-6-磷酸在2位磷酸化形成的。果糖-2,6-二磷酸水解成果糖-6-磷酸是由果糖二磷酸酶2催化的。这两种酶实际上是同一个单链蛋白，这种蛋白称为双功能酶。当此蛋白被磷酸化后，果糖二磷酸酶2活性激活，而磷酸果糖激酶2活性受到抑制；脱磷酸后则相反。当葡萄糖缺乏时，血液中的胰高血糖素启动cAMP的级联效应，使此蛋白磷酸化，果糖-2,6-二磷酸减少，导致糖酵解减慢。己糖激酶对糖酵解的调节作用己糖激酶受葡萄糖-6-磷酸的抑制。当磷酸果糖激酶受抑制时，果糖-6-磷酸积累，使得葡萄糖-6-磷酸也积累，从而抑制己糖激酶的活性。但也不完全是这样，因为葡萄糖-6-磷酸还可以转变成糖原，或经五碳糖磷酸途径氧化。当磷酸果糖激酶受抑制时，葡萄糖-6-磷酸不一定积累，己糖激酶也就不一定受抑制，所以己糖激酶不是糖酵解途径的限制酶。丙酮酸激酶对糖酵解的调节作用九、其他六碳糖进入糖酵解途径四种六碳糖构型比较D-葡萄糖D-甘露糖D-半乳糖D-果糖果糖进入糖酵解途径己糖激酶果糖果糖-6-磷酸（肌肉中）果糖进入糖酵解途径果糖激酶（肝脏中）果糖果糖-1-磷酸①果糖进入糖酵解途径果糖-1-磷酸（肝脏中）②甘油醛二羟丙酮磷酸果糖-1-磷酸醛缩酶甘油醛甘油醛-3-磷酸甘油醛激酶③果糖进入糖酵解途径（肝脏中）甘油醛甘油醇脱氢酶甘油激酶甘油磷酸脱氢酶甘油甘油-3-磷酸甘油-3-磷酸二羟丙酮磷酸④⑤⑥半乳糖进入糖酵解途径半乳糖激酶半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶半乳糖半乳糖-1-磷酸半乳糖-1-磷酸UDP-半乳糖①②半乳糖进入糖酵解途径UDP-半乳糖4差向异构酶UDP-半乳糖中间体UDP-葡萄糖③半乳糖进入糖酵解途径UDP-葡萄糖焦磷酸化酶UDP-葡萄糖葡萄糖-1-磷酸④葡萄糖-1-磷酸葡萄糖-6-磷酸磷酸葡萄糖变位酶⑤甘露糖进入糖酵解途径己糖激酶①甘露糖甘露糖-6-磷酸磷酸甘露糖异构酶②甘露糖-6-磷酸果糖-6-磷酸