復(fù)旦大學(xué)生化課件糖酵解與發(fā)酵

復(fù)旦大學(xué)生化課件糖酵解與發(fā)酵糖酵解[Glycolysis]與發(fā)酵

[Fermentation]無氧條件下糖的降解過程，糖經(jīng)一系列的酶促反應(yīng)變成丙酮酸，并生成ATP，是一切生物細(xì)胞中Glc分解產(chǎn)生能量的共同代謝途徑，稱為酵解途徑[Glycolyticpathway]，或稱為Embden-Meyerhof-Parnas(EMP)pathway。厭氧生物（酵母及其他微生物）把酵解中生成的NADH+H+用于還原丙酮酸生成乙醛，進(jìn)而產(chǎn)生乙醇，稱為乙醇（酒精）發(fā)酵。肌肉等組織或微生物在無氧或暫時缺氧條件下，酵解中生成的NADH+H+用于把丙酮酸乳酸，稱為乳酸發(fā)酵。

2020/11/42D-葡萄糖的代謝命運(yùn)

D-Glc在代謝中占有中心地位，葡萄糖含有較高的能量，氧化生成H2O和CO2放出自由能2840kJ/mol；轉(zhuǎn)變成淀粉或糖原貯存又可維持相對低的摩爾滲透壓濃度，需要能量時又可分解成葡萄糖氧化供能。葡萄糖不僅僅是一個能量分子，還是一個最常見的前體分子，可為生物合成反應(yīng)提供中間物，如大腸桿菌可利用葡萄糖及其碳架合成所有的氨基酸、核苷酸、輔酶、脂肪酸和生長所需的各種代謝中間物。葡萄糖有成千上萬種轉(zhuǎn)化，高等動植物中主要有三個方向：變成糖元(或淀粉)貯存、酵解為三碳化合物（丙酮酸）或通過HMP（戊糖磷酸途徑）變?yōu)槲焯恰?020/11/43葡萄糖的主要代謝命運(yùn)2020/11/44酵解(Glycolysis)

酵解（Glycolysis，希臘語glykys，意為sweet和lysis)。一分子葡萄糖通過一系列的酶促反應(yīng)生成2分子丙酮酸，并生成ATP和NADH。

是第一個發(fā)現(xiàn)和研究得最清楚的生物化學(xué)代謝途徑，1897年Hans和EdwardBuchner兄弟倆通過發(fā)酵的酵母抽提物發(fā)現(xiàn)發(fā)酵可以在活細(xì)胞外進(jìn)行，否定了LouisPaster統(tǒng)治了近40年的觀點(diǎn)，打開了新陳代謝研究之門。1940年GustarEmbden和OttoMeyerhof發(fā)現(xiàn)肌肉中存在與酵母細(xì)胞一樣的不需要氧的糖分解代謝過程—酵解。最終在1941年由FritzLipmann和HermanKalckar完成了對整個代謝途徑的研究。2020/11/45EMPPathway可以分為三個階段：1）Glc

磷酸化形成己糖磷酸酯[反應(yīng)1、2、3]，消耗2ATP，產(chǎn)物為F-1,6-diP。2）磷酸己糖裂解為兩分子三碳糖（反應(yīng)4），由醛縮酶(aldolase)催化，產(chǎn)物為3-P-甘油醛（G-3-P）和磷酸二羥丙酮(DHAP)，斷裂在己糖的C3-C4間。3）三碳糖經(jīng)一系列的反應(yīng)（反應(yīng)5--10）生成丙酮酸，其中反應(yīng)6生成NADH+H+，并生成高能磷酸化合物（1,3-二磷酸甘油酸）；反應(yīng)7和10生成2ATP（底物水平磷酸化）。2020/11/46酵解途徑的十步反應(yīng)TheGlycolyticPathway2020/11/47PreparatoryPhase2020/11/48PayoffPhase？2020/11/49EMP反應(yīng)總表2020/11/410EMP途徑的說明I1）己糖激酶(hexokinase)需要Mg2+或其他二價陽離子及ATP，反應(yīng)不可逆，是酵解過程的第一個別構(gòu)[調(diào)節(jié)]酶，肌肉中受產(chǎn)物G-6-P強(qiáng)烈別構(gòu)抑制。肝臟中主要是以glucokinase存在，對Glc有特異活性，不受G-6-P的抑制。

2）果糖磷酸激酶[phosphofructokinase,PFK]，需要Mg2+及ATP，是酵解途徑的關(guān)鍵反應(yīng)[committedstep,keyreaction,rate-limitingreaction]酶，酵解進(jìn)行的速度取決于該酶的活性，酶的調(diào)節(jié)也是別構(gòu)調(diào)節(jié)，ATP對其有抑制效應(yīng)，檸檬酸及脂肪酸的存在會加強(qiáng)ATP的抑制作用，AMP、ADP及Pi可消除抑制。2020/11/411己糖激酶和磷酸果糖激酶催化的反應(yīng)2020/11/412EMP途徑的說明II3）3-P-甘油醛dHE

(phosphoglyceraldehydedHE)，活性中心在酶的Cys-SH上，氧化型NAD+與酶緊密結(jié)合，受氫還原后與酶脫離，磷酸攻擊硫酯鍵生成1，3-二磷酸甘油酸。只有NAD+不斷取代NADH才能保持酶的催化活力，否則酵解就要停止。ICH2COOH與-SH反應(yīng)，可強(qiáng)烈抑制酶的活性。2020/11/4133-磷酸甘油醛氧化生成二磷酸甘油酸2020/11/4143-P-甘油醛脫氫酶2020/11/415碘乙酸是3-磷酸甘油醛

脫氫酶的抑制劑碘乙酸與脫氫酶活性位點(diǎn)的-SH共價結(jié)合，使酶失活。2020/11/416EMP途徑的說明Ⅲ4）磷酸甘油酸變位酶(phosphoglyceratemutase)，催化磷酸基團(tuán)在C3和C2位可逆變位，Mg2+對反應(yīng)為必需。反應(yīng)分成兩步，由磷酸甘油酸變位酶介導(dǎo)磷酸基團(tuán)在2,3-二磷酸甘油酸、3-磷酸甘油酸及2-磷酸甘油酸之間發(fā)生轉(zhuǎn)移。反應(yīng)中變位酶的磷酸化需要有特異的ATP依賴的激酶。雖然多數(shù)細(xì)胞中的2,3-二磷酸甘油酸很少（痕量水平），但在紅細(xì)胞中確是一個主要的成分（-5mM），調(diào)節(jié)血紅蛋白對氧的親和力。2020/11/417磷酸甘油酸變位酶反應(yīng)的機(jī)制2020/11/418EMP途徑的說明Ⅳ5)烯醇（化）酶（enolase），催化2-磷酸甘油酸脫水生成PEP，產(chǎn)生酵解途徑的第二個磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移能，有Mg2+或Mn2+存在時，酶才有活性，F(xiàn)-能與Mg2+形成絡(luò)合物并結(jié)合在酶分子上而抑制酶的活性。2020/11/419EMP途徑的說明V6）丙酮酸激酶（pyruvatekinase），別構(gòu)調(diào)節(jié)酶，需要Mg2+、K+，催化的反應(yīng)有ATP生成，是酵解途徑的重要調(diào)節(jié)酶，長鏈脂肪酸、乙酰CoA、ATP、Ala等均抑制酶活；F-1,6-diP可活化此酶。7）酵解10步反應(yīng)有4步是需能反應(yīng)（1、3、7、10四步反應(yīng)）8）整個酵解途徑的反應(yīng)中，1、3、10步反應(yīng)為嚴(yán)格意義上的不可逆反應(yīng)。2020/11/420底物水平磷酸化底物氧化、分子內(nèi)基團(tuán)重排等所釋放的能量偶聯(lián)ATP的生成，涉及可溶性的酶和代謝中間物，不涉及膜結(jié)合的酶、跨膜質(zhì)子梯度和電子傳遞。2020/11/421丙酮酸激酶催化PEP生成丙酮酸底物水平磷酸化2020/11/422EMP途徑中間物濃度2020/11/423EMP的能量消耗與生成2020/11/424NADH+H+的命運(yùn)無氧條件下:

通過乙醇發(fā)酵受氫，解決重氧化通過乳酸發(fā)酵受氫，解決重氧化有氧條件下:

通過呼吸鏈遞氫，最終生成H2O,并生成ATP。

2020/11/425丙酮酸的生成2020/11/426丙酮酸的代謝命運(yùn)1）無氧條件下，丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗帷?）無氧條件下，丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐胰?，進(jìn)而生成乙醇。3）有氧條件下，丙酮酸氧化脫羧生成乙酰-CoA，進(jìn)入三羧酸循環(huán)，氧化供能（乙酰-CoA在能量狀態(tài)高的情況下可用于合成脂類物質(zhì)）。4)丙酮酸作為其他物質(zhì)合成的前體（如Ala等）。2020/11/427酵解產(chǎn)生的丙酮酸的三個可能的分解代謝命運(yùn)合成前體合成前體2020/11/428乙醇生成(發(fā)酵)PyruvatedecarboxylaseAlcoholdehydrogenase2020/11/429乳酸生成(發(fā)酵)2020/11/430甘油生成(發(fā)酵)

DHAP+NADH+H+3-P-甘油+NAD+

甘油

利用酵母制造甘油（解決乙醛受氫問題）

1）

培養(yǎng)基中添加NaHSO3NaHSO3+CH3CHOCH3CH(OH)OSO2Na 2）將發(fā)酵液調(diào)至堿性，乙醛在堿性條件下發(fā)生歧化反應(yīng)。2CH3CHO+NaOHCH3COONa+CH3CH2OH2020/11/431Glycerol3-phosphateGlycerol2020/11/432EMP途徑總結(jié)1)無氧條件下，Glc分解為乙醇或乳酸，為無氧分解。（1）酵母等，Glc2ethanol+2CO2

（2）肌肉等，Glc2lactate2)雖無O2參與，但有脫氫反應(yīng)，H的受體為NAD+，胞質(zhì)中NAD+少，須解決NADH的重氧化。3)兩種發(fā)酵均凈生成2ATP，為底物水平磷酸化。4)需要輔酶或輔助因子，如NAD+,TPP,Mg2+,K+等。2020/11/433

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-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮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×22-磷酸甘油酸×22ADP2ATP丙酮酸激酶NAD+NADH+H+NADH+H+ADPATPADPATP脫氫酶2ATP2ADP糖酵解NADH+H+NAD+2020/11/434丙酮酸激酶的調(diào)節(jié)作用PEP丙酮酸激酶受可逆磷酸化的共價調(diào)節(jié)kinasephosphatase2020/11/435F-6-P對果糖磷酸激酶的

變構(gòu)調(diào)節(jié)作用磷酸果糖激酶-1的活力大腸桿菌PFK四亞基中的兩個果糖1,6-二磷酸催化位點(diǎn)ADP催化位點(diǎn)ADP的結(jié)合位點(diǎn)肌肉中2020/11/436F-6-P對果糖磷酸激酶的

變構(gòu)調(diào)節(jié)作用（續(xù)）2020/11/437葡萄糖異生要跨越酵解過程磷酸果糖激酶催化的不可逆反應(yīng)果糖-1，6-二磷酸酯酶果糖磷酸激酶2020/11/438其它單糖進(jìn)入EMP1）D-Fructose

A.通過hexokinase轉(zhuǎn)變?yōu)镕-6-P進(jìn)入EMP，但酶對Glc的親和力大于對Fru的12倍，肝中幾乎不發(fā)生這種反應(yīng)，而脂肪組織中則FruGlc，可走這一途徑。

B.肝臟中，F(xiàn)ructokinase催化Fru生成F-1-P，再由F-1-Paldolase催化裂解為DHAP和甘油醛，甘油醛激酶催化甘油醛生成3-P-G(消耗1ATP)進(jìn)入EMP。2020/11/439果糖進(jìn)入EMP肝臟肌肉和腎中，己糖激酶催化Fru+ATPF-6-P，直接進(jìn)入酵解。2020/11/440其它單糖進(jìn)入EMP（續(xù)）2）D-Galactose

由galactokinase催化生成1-P-Gal，再由鳥苷酰轉(zhuǎn)移酶催化與UDPG反應(yīng)生成Glc-1-P和UDPGal(由差向異構(gòu)酶催化變?yōu)閁DPG，完成再生)，而G-1-P經(jīng)變位酶催化變成G-6-P進(jìn)入EMP。3）D-Mantose

由hexokinase催化生成M-6-P，再經(jīng)異構(gòu)酶催化轉(zhuǎn)變?yōu)镕-6-P進(jìn)入EMP。2020/11/44