2.糖代谢的中心途径

糖代谢的中心途径Thecenterpathwaysofthecarbohydratemetabolism东南大学医学院生物工程学系徐旭东[e-mail]代谢(metabolism)：细胞内发生的各种化学反应的总称。代谢包括物质代谢和能量代谢，前者分分解代谢和合成代谢；后者分产能代谢和耗能代谢。分解代谢合成代谢第一节微生物代谢概论物质代谢能量代谢产能代谢耗能代谢初级代谢次级代谢代谢一、物质代谢物质代谢分解代谢（catabolism）合成代谢（anabolism）复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]细胞中蛋白质、核酸、糖、脂等物质的变化过程称为物质代谢。可分为分解代谢和合成代谢。++分解代谢和合成代谢的关系分解代谢往往伴随能量的产生；合成代谢往往伴随能量的消耗。糖的分解代谢脂肪碳水化合物蛋白质二、能量代谢微生物细胞中能量的产生、消耗、转移的过程称为能量代谢。用于生物合成用于运动、物质转运等三、初级代谢和次级代谢初级代谢(primarymetabolism)：微生物通过代谢合成细胞生长和繁殖所必需的化合物的的过程。初级代谢的产物称初级代谢产物，如氨基酸、核苷酸、维生素等。次级代谢(secondarymetabolism)：微生物通过代谢合成对细胞生长和繁殖作用不明显、或没有作用的化合物的的过程。次级代谢的产物称次级代谢产物，如抗生素、生物碱、毒素、色素等。四、代谢和酶1.酶是由生物细胞所产生的、具有催化性质的蛋白质；2.微生物的生命活动离不开酶；3.酶的活动受微生物调控机制制约；4.了解微生物代谢及调控机制是利用微生物的基础。微生物的分解代谢分为三个阶段：①将蛋白质、多糖以及脂类等大分子物质降解为氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质(往往在细胞外进行)；②将上述小分子进一步降解为丙酮酸、乙酰辅酶A等小分子中间体（细胞内进行）；③将这些小分子中间体分解为二氧化碳。第②、第③阶段伴随着ATP、NAD(P)H+及FADH2的产生。分解代谢产生的NAD(P)H+及FADH2的H和电子通过电子传递链被氧化，产生ATP。蛋白质多糖脂类氨基酸单糖甘油＋脂肪酸丙酮酸糖酵解CoA柠檬酸α酮戊二酸草酰乙酸阶段1阶段2阶段3CoQ细胞色素ATPNADH2+FADH2ATP+NADH2NADH2乙酰三羧酸循环ATPNADH2FADH2O2CO2NADH2第二节微生物的分解代谢及能量产生CO2一、萄萄糖分解途径（一）EMP途径(Embden-Meyerhofpathway)Embden-Meyerhof-pathway很多微生物采用基团转位的方式得到6-磷酸葡萄糖藕联基团转位Enol：烯醇EMP途径的总反应式：Glucose+2NAD++2ADP+2Pi→2pyruvate+2NADH·H++2ATP+2H2OEMP途径的生理意义：1.提供合成代谢必需的ATP和还原力NADH·H+；2.连接其它代谢途径的桥梁：TCA，HMP，ED等；3.通过一些代谢中间产物；4.逆向反应进行糖异生；5.与乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇发酵有关。EMP途径的关键酶：磷酸果糖激酶PFK、丙酮酸激酶PK（一）EMP途径（Embden-Meyerhofpathway）（二）HMP途径(HexoseMonophosphatePathway)HMP途径即己糖单磷酸途径，其过程包括两个阶段：一是氧化阶段：6-磷酸-葡萄糖氧化成5-磷酸-核酮糖；二是分子重排阶段：五碳糖重排成为三碳糖和六碳糖。降解发生在6-磷酸-葡萄糖酸，所以命名为己糖单磷酸途径(HMP)。5-磷酸-戊糖水平发生分子重排，所以又可以命名为磷酸戊糖途径(pentosephosphatepathway,PPP)很多微生物可以不通过TCA循环将葡萄糖彻底降解为CO2。1.HMP途径的关键酶：6磷酸葡萄糖脱氢酶（glucose-6-phospoatedehydrogenase）6磷酸葡萄糖酸脱氢酶（6-phospogluconatedehydrogenase）2.HMP途径的特征酶：转酮酶（transketolase,TK）转醛酶（transaldolase,TA）小分子前体5-磷酸-核酮糖、核糖、木糖4-磷酸-赤藓糖3-磷酸-甘油醛7-磷酸-景天庚酮糖还原力NADPH2HMP途径可以为微生物生长提供能量、小分子前体和还原力。也扩大了碳源利用的范围乳酸杆菌(Lactobacterium)中无HMP，在其培养过程中，必须添加嘌呤、嘧啶等物质。3.HMP途径的生理意义：用于核苷酸、核酸及NAD(P)＋、FAD、FMN、CoA等合成用于苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸等芳香族氨基酸的合成连接脂肪酸代谢途径，用于甘油、脂肪的合成HMP途径的总反应式不完全的HMP：完全的HMP：Glucose-6-phosphate+6NADP+3CO2+6NADPH2+GAPGlucose-6-phosphate+12NADP+6CO2+12NADPH2+Pi（三）ED途径(Entner-DoudoroffPathway)ED途径由Entner和Doudoroff(Russia)2人研究嗜糖假单孢菌(Pseudomonassaccharophila)中发现，故名。另外在下列细菌中也存在ED途径：Pseudomonasaeruginosa、Pseudomonasfluorescens、Pseudomonaslindneri、Zymomonasmobilis；ED途径的降解在2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸(2-keto-3-deoxy-6-phosphoglucnicacid,KDPG)上发生。ED途径是细菌进行乙醇、乳酸发酵的重要方式。philharmonicMichaelDoudoroff(1911-1975)wasanAmericanmicrobiologistwhodiscoveredwithNathanEntnermicrobialpathwayforglucosedegradationinsomebacteria.NowadaysitisknownasEntner-Doudoroofpathway.HewasborninSt.Petersburg,RussiabutmovedtoSanFranciscowhenhewas12yearsold.HeenteredStanfordUniversity(1929)wherehecompletedhisPhDunderthesupervisionofCorneliusVanNielattheHopkinsMarineStation.GlucoseGlucose-6-phosphate6-phosphogluconicacid2-keto-3-deoxy-6-phosphoglucnicacidPyruvateGAPPyruvateATPADPNAD＋NADH2H2OKDPGaldolaseED途径glucotate-6-phosphatedehydrataseglucose-6-phospoatedehydrogenase类似EMP2ATPNADH2类似HMP特征性反应1.ED途径的关键酶：6磷酸葡萄糖酸脱水酶（glucose-6-phosphatedehydratase）KDPG醛缩酶（特征酶）（2-keto-3-deoxy-6-phosphogluconicacidaldolase）2.ED途径的总反应式：Glucose+NAD++NADP++ADP+2Pi2pyruvate+NADH2+NADPH2+ATP来源不同！3.如何区别ED途径和EMP途径？CHOCCCCCH2OPiOHHOOHOHHHHHCOOHCCCCCH2OPi=OHOHOHHHHGlucoseKDPGCCH3=OCCH3=OED途径呼吸的CO2来自C1和C4，EMP途径呼吸的CO2来自C3和C4pyruvateCOOHCOOHEDCCCCCH2OPiOHHOOHOHHHHHCH2OPiCCCCCH2OPi=OHOOHOHHHHGlucoseDPFCH3CCOOH=OCOOHCCH3=OpyruvateCHOEMPED途径呼吸的CO2来自C1和C4，EMP途径呼吸的CO2来自C3和C4酿酒酵母产朊假丝酵母产黄青霉大肠杆菌氧化葡萄糖杆菌运动发酵单孢菌EMPHMPED88%12%066-81%19-34%077%23%072%28%00100%000100%铜绿假单孢菌029％71%三种代谢途径在微生物中的分布（四）PK途径（phosphoketolasepathway）即磷酸酮解途径。根据降解分子的不同，又可分为磷酸戊糖酮解途径(phosphopentoseketolasepathway,PPK)和磷酸己糖酮解途径(phosphohexoseketolasepathway,PHK)即双歧途径。PK途径由Warberg、Dickens、Horeker等发现，故称WD途径。PPK途径是乳杆菌(Lactobacterium)进行乳酸发酵的重要方式；PHK途径实际上包括PPK和PHK，存在于双歧杆菌(Bifidobacterium)中。glucoseglucose-6-phosphate6-phosphogluconicacidribulose-5-phosphatexylulose-5-phosphateGAPacetyl-CoApyruvatePhosphopentoseketolase(关键酶)Glucose+NAD++ADP+Pipyruvate+CO2+Acetyl-CoA2+3NADH2+ATPPPK途径的总反应式ATPADPNAD+NADH2NAD+NADH2阿拉伯糖木糖核糖PPK途径类似EMP类似HMPCO2NADH22ATP2×Glucose2×glucose-6-phosphateribulose-5-phosphatexylulose-5-phosphate2GAP2acetyl-CoA2PyruvatePhosphopentoseketolase(关键酶)xylulose-5-phosphateribose-5-phosphateGAPS7PE4PF6PF6Pacetyl-CoAPhosphohexoseketolase(关键酶)PHK途径2Glucose+2NAD++3ADP+3Pi2pyruvate+3acete+2NADH2+5ATPPHK途径的总反应式2NADH24ATP2ATPAcetateATPADP2ADPAcetate＋2ATP（五）直接氧化途径有些细菌，如Pseudomanas、Aerobacter等没有己糖激酶（hexokinase），无法进行葡萄糖的磷酸化，但是可以通过加氧酶的直接氧化作用，将葡萄糖降解。某些真菌则通过葡萄糖氧化酶完成类似的过程。加氧酶和葡萄糖氧化酶的辅基均为FAD。GlucoseGluconicacid6-phosphogluconicacidribulose-5-phosphateFADFADH2NAD+NADH2H2O2ATPADPO2H2O+O2catalaseCO2KDPGH2OHMP途径ED途径加氧酶Pseudomanas、AerobacterPseudomanas直接氧化途径NADH•H+或NADPH•H+有氧呼吸：电子或H交给O2。厌氧呼吸：电子或H交给无机物。发酵：电子或H交给糖降解产物，如丙酮酸。来自EMP、HMP、ED等途径二、围绕中心途径的发酵(fermentation)巴斯德的“发酵”定义：酵母菌在厌氧条件下进行的代谢过程。发酵的“生理学定义”是：将电子或氢交给糖降解产物的过程。现代“发酵”的概念，已经远远超出其生理学定义：凡是利用微生物进行的产品生产过程，均称之为“发酵”。根据产物的不同，可以分为多种形式。围绕中心途径的发酵（一）乙醇和甘油发酵1.酵母菌的第一型发酵(乙醇发酵)条件：pH3.5~4.5，厌氧；关键酶：丙酮酸脱羧酶、乙醇脱氢酶；特点：H的完全平衡。总反应式：Glucose+2ADP+Pi2Et