生物化学第22章糖酵解作用

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。 糖 酵 解 途 径 在 胞 质 溶 胶 中 进 行 。 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 循 环 途 径 中 彻 底 氧 化 成 CO2。 柠檬 酸 循 环 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 图细 胞 质 线 粒 体 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 C 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 葡 萄 糖 （ 六 碳 糖 ） 三 碳 糖 三 碳 糖 CH3CH(OH)COO + CH3CH(OH)COO 1 2 3 6 5 4 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 C 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 葡 萄 糖 （ 六 碳 糖 ） 三 碳 糖 三 碳 糖 CH3CH2OH + CO2 + CH3CH2OH + CO2 1 2 3 6 5 4 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 G10= 196.7kJ/mol2ADP + 2Pi 2ATP + 2H2O G20= 61.1kJ/mol总 能 量 变 化 为 G 0=G10+ G20= 135.6kJ/mol 其 中 由 ATP捕 获 的 能 量 的 比 例 为 61.1/196.7 100% = 31% 三、糖酵解和酒精发酵的全过程图解 糖 酵 解 途 径 中 磷 酸 化中 间 产 物 的 意 义 应 该 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 参 与 反 应 的 。中 间 产 物 磷 酸 化 至 少 有 三 种 意 义 ： 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 ； 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 ； 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 。 四 、 糖 酵 解 第 一 阶 段 的 反 应己 糖 激 酶Mg 2+葡 萄 糖 葡 萄 糖 6-磷 酸（ 一 ） 葡 萄 糖 的 磷 酸 化 （ 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Mg 2+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（ 一 ） 甘 油 醛 -3-磷 酸 氧 化 成 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Mg 2+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Mg 2+ 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Mg 2+ 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 G（ 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 16.74return 七 、 丙 酮 酸 的 去 路 动 物 （ 包 括 人 ） ， 在 剧 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 ， 使 得NADH氧 化 成 NAD +， 丙 酮 酸 还 原 成 乳 酸 。 （ 一 ） 生 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2.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 + 2CO2C 6H12O6 + 2ADP + 2Pi 2C3H6O3 + 2ATP + 2H2O酵 解 的 总 反 应 式 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 。 go 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 对糖 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 。 对 磷 酸 果 糖 激 酶 的 调 节果 糖 -6-磷 酸果 糖 -2,6-二 磷 酸磷 酸 果 糖 激 酶 2 果 糖 二 磷 酸 酶 2激 活磷 酸 果 糖 激 酶果 糖 -6-磷 酸 果 糖 -1,6-二 磷 酸柠 檬 酸 ATP抑 制 P 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 磷 酸 戊 糖 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 。 磷 酸 果 糖 激 酶 被 抑 制果 糖 -1,6-二 磷 酸果 糖 -6-磷 酸 （ 积 累 ）葡 萄 糖 -6-磷 酸 （ 可 能 不 积 累 ）葡 萄 糖合 成 糖 原磷 酸 戊 糖 途 径 磷 酸 葡 萄 糖 异 构 酶己 糖 激 酶 Return 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 D-葡 萄 糖 D-甘 露 糖 D-半 乳 糖 D-果 糖四 种 六 碳 糖 构 型 比 较 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 果 糖 进 入 糖 酵 解 途 径果 糖 -1-磷 酸 （ 肝 脏 中 ） 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 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 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 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 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 葡 萄 糖 -1-磷 酸 葡 萄 糖 -6-磷 酸磷 酸 葡 萄 糖变 位 酶 甘 露 糖 进 入 糖 酵 解 途 径己 糖 激 酶甘 露 糖 甘 露 糖 -6-磷 酸磷 酸 甘 露糖 异 构 酶甘 露 糖 -6-磷 酸 果 糖 -6-磷 酸