第二十二章 糖酵解

杨荣武生物化学原理第二版第二十二章糖酵解一、糖酵解概述二、糖酵解的全部反应三、NADH和丙酮酸的命运1.在有氧状态下NADH和丙酮酸的命运2.在缺氧或无氧状态下NADH和丙酮酸的命运四、其他物质进入糖酵解五、糖酵解的生理功能六、糖酵解的调节1.葡萄糖的可得性2.己糖激酶和葡糖激酶的调节3.PFK-1的调节4.丙酮酸激酶的调节提纲糖酵解概述发生在所有的活细胞位于细胞质基质共有十步反应组成——在所有的细胞都相同，但速率不同。通过该途径：葡萄糖或其他单糖在没有氧气的参与下被氧化成丙酮酸，并产生NADH和少量的ATP。糖酵解的两阶段反应能量投资阶段葡萄糖(6C)3-磷酸甘油醛(2-3C)(G3P或GAP)2ATP-消化0ATP-产生0NADH-产生2ATP2ADP+PC-C-C-C-C-CC-C-CC-C-C能量收获阶段甘油醛-3-磷酸(2-3C)(G3P或GAP)丙酮酸(2-3C)(PYR)0ATP-消耗4ATP-产生2NADH-产生4ATP4ADP+PC-C-CC-C-CC-C-CC-C-CGAPGAP(PYR)(PYR)糖酵解的全部反应休要惊慌!你所要记忆的是总反应、三步限速步骤、三种特异性抑制剂、两步底物磷酸化反应和主要的调控机制。你不需要记住任何代谢物的结构式反应1：葡萄糖的磷酸化葡萄糖的磷酸化第一步不可逆反应由己糖激酶或葡萄糖激酶催化引发反应——ATP被消耗，以便后面得到更多的ATPATP的消耗使葡萄糖的磷酸化能够自发地进行己糖激酶和葡萄糖激酶的比较葡萄糖的磷酸化至少有三个意义：一有利于胞外的葡萄糖通过GLUT进入胞内；二带上负电荷葡萄糖很难再从细胞中“逃逸”出去；其次葡萄糖由此变得不稳定，有利于它在细胞内的进一步代谢。葡萄糖在细胞内磷酸化以后不能再离开细胞反应2:磷酸葡糖的异构化6-磷酸葡糖-转变成6-磷酸果糖由磷酸己糖异构酶催化这是一步异构化反应，反应的机制牵涉到不稳定的烯二醇中间体。通过此反应，羰基从1号位变到2号，这既为下一步磷酸化反应创造了条件，也有利于后面由醛缩酶催化的C3和C4之间的断裂反应。磷酸葡糖的异构化反应3:磷酸果糖的磷酸化是糖酵解的限速步骤!是第二步不可逆反应由磷酸果糖激酶-1（PFK-1）催化糖酵解第二次引发反应有大的自由能降低，受到高度的调控磷酸果糖的磷酸化反应4:1,6-二磷酸果糖的裂解C6被切成2C3由醛缩酶催化1,6-二磷酸果糖的裂解有两类醛缩酶:第一类来源于古菌和真核生物，为共价催化，在反应中，底物与活性中心的赖氨酸残基形成共价的Schiff碱中间物；第二类主要来源于真菌和细菌，其活性中心含有二价的Zn2＋，为金属催化。第一类醛缩酶第二类醛缩酶醛缩酶的催化机制反应5:磷酸丙糖的异构化磷酸二羟丙酮转变成3-磷酸甘油醛磷酸丙糖异构酶（TIM）反应机制涉及烯二醇中间体活性中心的Glu充当广义碱催化剂TIM是一种近乎完美的酶（为什么？）磷酸丙糖异构酶催化的反应及其作用机理TIM防止副反应发生的机制TIM具有独特的防止副反应发生的机制：在反应中形成的磷酸烯二醇中间物若离开酶分子，在溶液中很容易释放出磷酸根生成丙二醛，而能异构化生成3-磷酸甘油醛的并不多。但在细胞内形成丙二醛的可能性几乎为零，这是因为当烯二醇中间物形成以后，酶分子上一段由10个氨基酸残基组成的环像一个盖子堵住了活性中心，致使烯二醇中间物无法离开酶分子，只能异构化成3-磷酸甘油醛。当3-磷酸甘油醛形成以后，上述环消失，产物得以释放。糖酵解第二个阶段的反应产生4ATP导致糖酵解净产生2ATP涉及两个高能磷酸化合物1.二磷酸甘油酸（1,3-BPG）2.磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）反应6:3-磷酸甘油醛的脱氢3-磷酸甘油醛被氧化成1,3-二磷酸甘油酸这是整个糖酵解途径唯一的一步氧化还原反应由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化产生1,3-BPG和NADH为巯基酶，使用共价催化，碘代乙酸和有机汞能够抑制此酶活性。砷酸在化学结构和化学性质与Pi极为相似，因此可以代替无机磷酸参加反应，形成1-砷酸-3-磷酸甘油酸，但这样的产物很容易自发地水解成为3-磷酸甘油酸并产生热，无法进入下一步底物水平磷酸化反应。3-磷酸甘油醛脱氢酶催化的反应及其作用机理碘代乙酸和甲基汞抑制3-磷酸甘油醛脱氢酶的机理反应7:第一步底物水平的磷酸化从高能磷酸化合物合成ATP由磷酸甘油酸激酶催化红细胞内存在生成2,3-BPG的支路底物水平磷酸化：是指物质在脱氢或脱水过程中，产生高能代谢物并直接将高能代谢物中能量转移到ADP生成ATP的过程。第一步底物水平的磷酸化反应8:磷酸甘油酸的变位磷酸基团从C-3转移到C-2由磷酸甘油酸变位酶催化不同来源的变位酶具有不同的催化机制，一类需要2,3-BPG作为辅助因子，并需要活性中心的一个His残基；另一类则不需要2,3-BPG，其变位实际上是3-磷酸甘油酸分子内的磷酸基团的转移。磷酸甘油酸变位酶催化的反应及其作用机理反应9:PEP的形成甘油酸-2-磷酸转变成PEP由烯醇化酶催化烯醇化酶的作用在于促进2-磷酸甘油酸上某些原子的重排从而形成具有高能键的高能分子。氟合物能够与Mg2＋和磷酸基团形成络化物，而干扰2-磷酸甘油酸与烯醇化的结合从而抑制该酶的活性。PEP的合成反应10:第二步底物水平的磷酸化PEP转化成丙酮酸，同时产生ATP是第三步不可逆反应由丙酮酸激酶催化产生两个ATP，可被视为糖酵解途径最后的能量回报。ΔG为大的负值——受到调控!第二次底物水平的磷酸化NADH和丙酮酸的去向取决于细胞有氧还是无氧？？在有氧状态下NADH和丙酮酸的命运1.NADH的命运：NADH在呼吸链被彻底氧化成H2O并产生更多的ATP。2.丙酮酸的命运：丙酮酸经过线粒体内膜上丙酮酸运输体与质子一起进入线粒体基质，被基质内的丙酮酸脱氢酶系氧化成乙酰-CoA在缺氧状态或无氧状态下NADH和丙酮酸的命运1.乳酸发酵2.酒精发酵线粒体内膜上的3-甘油磷酸穿梭系统苹果酸-天冬氨酸穿梭系统丙酮酸的代谢去向丙酮酸转变成乙酰-CoA的四步反应砒霜的毒性机理糖酵解的能量学调控的有力证据!标准的G值分散分布：+和-细胞内多数G接近0，10步反应中有3步具有较大的自由能降低G为较大负值的反应是调控位点!第四节其他物质进入糖酵解甘油、果糖、甘露糖和半乳糖甘油转变成DHAP果糖和甘露糖通过比较常规的途径进入糖酵解半乳糖通过Leloir途径进入甘油和其它单糖进入糖酵解的途径半乳糖进入糖酵解的途径（Leloir途径）第五节糖酵解的生理意义产生ATP提供生物合成的原料糖酵解与肿瘤：缺氧与缺氧诱导的转录因子参与糖酵解途径的一些酶的兼职功能糖酵解某些中间物的代谢流向己糖激酶控制葡萄糖的进入磷酸果糖激酶(PFK)最关键的调控酶丙酮酸激酶可调节酵解途径代谢物的输出第六节糖酵解的调节一、葡萄糖的可得性二、己糖激酶和葡萄糖激酶的调节三、PFK-1的调节：别构调节负别构调节1ATP、柠檬酸、质子正别构调节2AMP、ADP、F-2,6-BPATP浓度对PFK-1的活性影响（一）ATP的别构抑制ThePasteurEffect☺氧气对糖酵解的抑制效应即巴斯德效应（Pasteureffect）可以使用上面的理论加以解释：在氧气存在的情况下，生物体利用有氧代谢（三羧酸循环和氧化磷酸化）产生大量的ATP，高水平的ATP作为负别构效应物通过抑制PFK-1而抑制了糖酵解。（二）柠檬酸的别构抑制离开线粒体进入细胞质大量ATP柠檬酸抑制PFK-1（三）质子的抑制（四）AMP和ADP的别构激活（五）F-2,6-BP的别构激活F-2,6-BP被视为PFK-1最重要的正别构效应物。PFK-2或F-2,6-BPase的结构PFK-2和F-2,6-BPase的活性调节和相互转变胰高血糖素对糖酵解的影响F-2,6-BP对PFK-1活性的调节四、丙酮酸激酶的调节调节方式别构调节共价修饰ATP丙氨酸F-1,6-BP可逆的蛋白质磷酸化丙酮酸激酶的活性调节糖酵解活性与细胞的能量状态有关当ATP水平较高，糖酵解活性降低1.己糖激酶受到过量6-磷酸葡糖的抑制2.PFK-1受到ATP和柠檬酸抑制3.丙酮酸激酶受到ATP抑制当ATP不足时，糖酵解被激活1.ATP解除ATP对PFK-1的抑制2.F-2,6-BP解除ATP对PFK-1的抑制3.F-1,6-BP激活丙酮酸激酶糖酵解限速酶的别构调节