生物化學(xué)第22章

第22章糖酵解作用(Glycolysis)一、糖酵解作用的研討歷史二、糖酵解過程概述三、糖酵解和酒精發(fā)酵的全過程圖解四、糖酵解第一階段的反響機(jī)制五、糖酵解第二階段——放能階段的反響機(jī)制六、由葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞肿颖崮芰哭D(zhuǎn)變的估算七、丙酮酸的去路八、糖酵解作用的調(diào)理九、其他六碳糖進(jìn)入糖酵解途徑糖酵解作用糖酵解是葡萄糖經(jīng)過一系列的生化反響，逐漸氧化成小分子化合物，并釋放出能量合成ATP的過程。糖酵解途徑從葡萄糖開場，到生成2分子丙酮酸為止，在途徑的前期耗費(fèi)2分子ATP，后期合成4分子ATP，所以途徑運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)果，1分子葡萄糖可以產(chǎn)生2分子ATP。無氧呼吸糖酵解途徑是呼吸途徑的一部分，其產(chǎn)物丙酮酸有多種去向，在酵母菌中，丙酮酸轉(zhuǎn)變成乙醇和CO2；在肌肉中，丙酮酸轉(zhuǎn)變成乳酸。從丙酮酸到乙醇及從丙酮酸到乳酸的代謝途徑是在無氧條件下進(jìn)展的，所以把糖酵解途徑加上丙酮酸轉(zhuǎn)變成乙醇或乳酸稱為無氧呼吸。有氧呼吸在有氧條件下，丙酮酸進(jìn)入檸檬酸循環(huán)途徑，在檸檬酸途徑中徹底氧化成CO2。檸檬酸途徑中產(chǎn)生的NADH進(jìn)入呼吸電子傳送鏈，在呼吸電子傳送鏈中產(chǎn)生大量的ATP，最終將NADH中的電子交給O2，生成H2O。所以把糖酵解途徑、檸檬酸循環(huán)加上呼吸電子傳送鏈合稱為有氧呼吸途徑。呼吸途徑表示圖二、糖酵解過程概述由葡萄糖閱歷丙酮酸最后生成乳酸，稱為酵解過程，其碳原子的變化可作如下概括：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〔酵解過程〕發(fā)酵過程由葡萄糖閱歷丙酮酸最后生成乙醇，稱為發(fā)酵過程，其碳原子的變化可作如下概括：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乙醇乙醇酵解途徑的能量代謝從能量的觀念出發(fā)，可以將酵解過程劃分為兩個(gè)方面，一方面從葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗崾俏镔|(zhì)的分解過程，伴有自在能的釋放。另一方面有ATP的合成，這是吸收能量的過程。葡萄糖→2乳酸ΔG10’=－196.7kj/mol2ADP+2Pi→2ATP+2H2OΔG20’=＋61.1kj/mol總能量變化為ΔG0’=ΔG10’+ΔG20’=－.6kj/mol其中由ATP捕獲的能量的比例為61.1/196.7×100%=31%糖酵解途徑中磷酸化中間產(chǎn)物的意義應(yīng)該引起留意的是，糖酵解過程中由葡萄糖到一切的中間產(chǎn)物都是以磷酸化合物的方式反響的。中間產(chǎn)物磷酸化至少有三種意義：①帶有負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)使中間產(chǎn)物具有極性，從而使這些產(chǎn)物不易透過脂膜而失散；②磷酸基團(tuán)在各反響步驟中，對酶來說，起到信號基團(tuán)的作用，有利于與酶結(jié)合而被催化；③磷酸基團(tuán)經(jīng)酵解作用后，最終構(gòu)成ATP的末端磷酸基團(tuán)，因此具有保管能量的作用。三、糖酵解和酒精發(fā)酵的全過程圖解四、糖酵解第一階段的反響〔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-磷酸異構(gòu)化構(gòu)成果糖-6-磷酸磷酸葡萄糖異構(gòu)酶葡萄糖-6-磷酸果糖-6-磷酸〔三〕果糖-6-磷酸構(gòu)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-1,6-二磷酸轉(zhuǎn)變?yōu)楦视腿?3-磷酸和二羥丙酮磷酸醛縮酶果糖-1,6-二磷酸二羥丙酮磷酸甘油醛-3-磷酸〔五〕二羥丙酮磷酸轉(zhuǎn)變?yōu)楦视腿?3-磷酸丙糖磷酸異構(gòu)酶五、酵解第二階段的反響〔一〕甘油醛-3-磷酸氧化成1,3-二磷酸甘油酸甘油醛-3-磷酸脫氫酶砷酸鹽是磷酸的類似物，可以替代磷酸結(jié)合到甘油酸的1位，并很快水解，使得不能構(gòu)成1,3-二磷酸甘油酸，不能產(chǎn)生ATP，導(dǎo)致解偶聯(lián)。甘油醛-3-磷酸1,3-二磷酸甘油酸〔二〕1,3-二磷酸甘油酸轉(zhuǎn)移高能磷酸基團(tuán)構(gòu)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-磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸變位酶〔四〕2-磷酸甘油酸脫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〕磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸岵a(chǎn)生一個(gè)ATP分子磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸激酶Mg2+或Mn2+六、由葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞肿颖崮芰哭D(zhuǎn)變的估算總反響式為：葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+→2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O糖酵解過程中各步反響的能量變化反應(yīng)內(nèi)容酶ΔG（kj/mol）1.G＋ATP→G-6-P+ADP己糖激酶－33.472.G-6-P→F-6-P磷酸葡糖異構(gòu)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醛縮酶－1.255.DHAP→GAP丙糖磷酸異構(gòu)酶＋2.516.GAP+Pi+NAD+→1,3-BPG+NADH+H+甘油醛-3-磷酸脫氫酶－1.677.1,3-BPG+ADP→3-PG+ATP磷酸甘油酸激酶＋1.268.3-PG→2-PG磷酸甘油酸變位酶＋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〕生成乳酸動物包括人，在猛烈運(yùn)動時(shí)，或由于呼吸、循環(huán)系統(tǒng)妨礙而供氧缺乏時(shí)，缺氧的細(xì)胞必需用糖酵解產(chǎn)生的ATP分子暫時(shí)滿足對能量的需求。為了使甘油醛-3-磷酸繼續(xù)氧化，必需源源不斷地提供氧化型的NAD+，由乳酸脫氫酶催化的丙酮酸復(fù)原，正好使NADH氧化，丙酮酸復(fù)原成乳酸。丙酮酸生成乳酸的反響乳酸脫氫酶丙酮酸乳酸酵解的總反響式在無氧條件下，每分子葡萄糖代謝構(gòu)成乳酸的總反響方程式如下：C6H12O6+2ADP+2Pi→2C3H6O3+2ATP+2H2O〔二〕生成乙醇丙酮酸脫羧酶丙酮酸乙醛1.丙酮酸脫羧構(gòu)成乙醛〔二〕生成乙醇1.乙醛復(fù)原成乙醇乙醇脫氫酶乙醛乙醇發(fā)酵的總反響式在無氧條件下，每分子葡萄糖代謝構(gòu)成乙醇的總反響方程式如下：C6H12O6+2ADP+2Pi→2C2H5O+2ATP+2H2O+2CO2八、糖酵解作用的調(diào)理在代謝途徑中，催化根本上不可逆反響的酶所處的部位是控制代謝反響的有力部位。在糖酵解途徑中，由己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的反響實(shí)踐上都是不可逆反響，因此，這三種酶都具有調(diào)理糖酵解途徑的作用。磷酸果糖激酶是關(guān)鍵酶磷酸果糖激酶受高濃度ATP的抑制，ATP是磷酸果糖激酶的別構(gòu)抑制劑。檸檬酸抑制磷酸果糖激酶糖酵解除了為生命活動提供能量外，還有為合成各種物質(zhì)提供碳骨架的作用。檸檬酸含量高時(shí)，意味著有豐富的生物合成前體存在。檸檬酸經(jīng)過加強(qiáng)ATP的抑制效應(yīng)來抑制磷酸果糖激酶的活性，從而使糖酵解過程減慢。果糖-2,6-二磷酸對酵解的調(diào)理作用果糖-2,6-二磷酸是磷酸果糖激酶強(qiáng)有力的變構(gòu)激活劑。在肝臟中，果糖-2,6-二磷酸提高磷酸果糖激酶與果糖-6-磷酸的親和力，并降低ATP的抑制效應(yīng)。果糖-2,6-二磷酸對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位磷酸化構(gòu)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。這兩種酶實(shí)踐上是同一個(gè)單鏈蛋白，這種蛋白稱為雙功能酶。當(dāng)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活性遭到抑制；脫磷酸后那么相反。當(dāng)葡萄糖缺乏時(shí)，血液中的胰高血糖素啟動cAMP的級聯(lián)效應(yīng)，使此蛋白磷酸化，果糖-2,6-二磷酸減少，導(dǎo)致糖酵解減慢。己糖激酶對糖酵解的調(diào)理作用己糖激酶受葡萄糖-6-磷酸的抑制。當(dāng)磷酸果糖激酶受抑制時(shí)，果糖-6-磷酸積累，使得葡萄糖-6-磷酸也積累，從而抑制己糖激酶的活性。但也不完全是這樣，由于葡萄糖-6-磷酸還可以轉(zhuǎn)變成糖原，或經(jīng)五碳糖磷酸途徑氧化。當(dāng)磷酸果糖激酶受抑制時(shí)，葡萄糖-6-磷酸不一定積累，己糖激酶也就不一定受抑制，所以己糖激酶不是糖酵解途徑的限制酶。丙酮酸激酶對糖酵解的調(diào)理作用九、其他六碳糖進(jìn)入糖酵解途徑四種六碳糖構(gòu)型比較D-葡萄糖D-甘露糖D-半乳糖D-果糖果糖進(jìn)入糖酵解途徑己糖激酶果糖果糖-6-磷酸〔肌肉中〕果糖進(jìn)入糖酵解途徑果糖激酶〔肝臟中〕果糖果糖-1-磷酸①果糖進(jìn)入糖酵解途徑果糖-1-磷酸〔肝臟中〕②甘油醛二羥丙酮磷酸果糖-1-磷酸醛縮酶甘油醛甘油醛-3-磷酸甘油醛激酶③果糖進(jìn)入糖酵解途徑〔肝臟中〕甘油醛甘油醇脫氫酶甘油激酶甘油磷酸脫氫酶甘油甘油-3-磷酸甘油-3-磷酸二羥丙酮磷酸④⑤⑥半乳糖進(jìn)入糖酵解途徑半乳糖激酶半乳糖-1-磷酸尿苷酰轉(zhuǎn)移酶半乳糖半乳糖-1-磷酸半乳糖-1-磷酸UDP-半乳糖①②半乳糖進(jìn)入糖酵解途徑UDP-半乳糖4差向異構(gòu)酶UDP-半乳糖中間體UDP-葡萄糖③半乳糖進(jìn)入糖酵解途徑UDP-葡萄糖焦磷酸化酶UDP-葡萄糖