生物化學(xué)：糖酵解和己糖的分解代謝（糖代謝Ⅰ）

Chapter3Glycolysisandcatabolismofhexoses

糖酵解和己糖的分解代謝

（糖代謝Ⅰ）3.1糖代謝概述3.2糖的消化、吸收和運(yùn)輸3.3糖酵解途徑和已糖的分解代謝3.4戊糖磷酸途徑3.1糖代謝概述糖的生理功能糖最主要的生理功能是提供能量。葡萄糖完全氧化為CO2和H2O，標(biāo)準(zhǔn)自由能為－2840KJ/mol（相當(dāng)于679kcal/mol）。糖是機(jī)體重要的碳源，糖代謝的中間產(chǎn)物（作為前體，precursor）可轉(zhuǎn)變成其他的含碳化合物，如氨基酸、脂肪酸、核苷等。糖是組成生物體組織結(jié)構(gòu)的重要成分之一。例如，蛋白聚糖和糖蛋白構(gòu)成結(jié)締組織、軟骨和骨的基質(zhì)；糖蛋白和糖脂是細(xì)胞膜的構(gòu)成成分。糖還有其他的一些特殊功能：體內(nèi)有一些具有特殊生理功能的糖蛋白；糖的磷酸衍生物可以形成許多重要的生物活性物質(zhì)，如NAD+、FAD、ATP等。血糖高等動物糖代謝概況食物糖消化葡萄糖吸收肝臟葡萄糖肝糖原合成分解乳酸糖異生血液肌糖原葡萄糖合成有氧氧化CO2+H2O+ATP糖酵解乳酸+ATP血乳酸肌肉轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌镔|(zhì)(大量)(少量)戊糖磷酸途徑糖醛酸途徑各種組織3.2糖的消化、吸收和運(yùn)輸?shù)矸鄣南?amylaseα-glucosidaseα-dextrinase二糖的消化乳糖不耐受綜合癥（Lactoseintolerancesyndrome）有些成年人由于乳糖酶（Lactasedeficiency）缺乏，在食用牛奶后乳糖不能在小腸內(nèi)完全消化吸收，進(jìn)入大腸后由細(xì)菌轉(zhuǎn)化為有害物質(zhì)，引起腹脹、腹瀉等癥狀。糖的吸收

糖的吸收是以單糖形式通過腸壁細(xì)胞吸收進(jìn)入血液的過程，吸收的部位是小腸上段。糖的運(yùn)輸

小腸內(nèi)主要是Na+－單糖協(xié)同運(yùn)輸。由小腸上皮細(xì)胞進(jìn)入進(jìn)入血液通過促進(jìn)擴(kuò)散。（見物質(zhì)運(yùn)輸）Glucosetransportinintestinalepithelialcells3.3糖酵解和已糖的分解代謝（GlycolysisandCatabolismofHexoses)

Glycolysis,fromtheGreekglykysmeaning“sweet”,andlysismeaning“splitting”.

糖酵解途徑

—最早被闡明的代謝途徑TheDevelopmentofBiochemistryandtheDelineationofGlycolysisWentHandbyHand1897,HansBuchnerandEduardBuchner(Germany),accidentalobservation:sucrose(asapreservative)wasrapidlyfermentedintoalcoholbycell-freeyeastextract.Theacceptedviewthatfermentationisinextricablytiedtolivingcells(i.e.,thevitalisticdogma)wasshakenandBiochemistrywasborn:Metabolismbecamechemistry!1900s,ArthurHardenandWilliamYoungPiisneededforyeastjuicetofermentglucose,ahexosediphosphate(fructose1,6-bisphosphate)wasisolated.1900s,ArthurHardenandWilliamYoung(GreatBritain)separatedtheyeastjuiceintotwofractions:oneheat-labile,nondialyzablezymase(enzymes)andtheotherheat-stable,dialyzablecozymase(metalions,ATP,ADP,NAD+).

1910s-1930s,GustavEmbdenandOttoMeyerhof(Germany),studiedmuscleanditsextracts:Reconstructedallthetransformationstepsfromglycogentolacticacidinvitro;revealedthatmanyreactionsoflacticacid(muscle)andalcohol(yeast)fermentationswerethesame!DiscoveredthatlacticacidisreconvertedtocarbohydrateinthepresenceofO2(gluconeogenesis);observedthatsomephosphorylatedcompoundsareenergy-rich.(GlycolysiswasalsoknownasEmbden-Meyerhofpathway,EMP).

Thewholepathwayofglycolysis(Glucosetopyruvate)waselucidatedbythe1940s.3.3.1糖酵解途徑糖酵解：葡萄糖分解為丙酮酸并伴隨著生成ATP的過程。存在于所有生物。在真核細(xì)胞中，其反應(yīng)部位在胞液中。

Glucose2Pyruvate2ATP糖酵解概況Preparatoryphase6CGlucose3CGlyceradehyde-3-p3CdihydroxyacetonePayoffphase2X3CGlyceradehyde-3-p2X3CpyruvateReleasesenergy

Requiresenergy

Overallglycolysis

－2ATP

+4ATP

糖酵解反應(yīng)過程糖酵解反應(yīng)過程

己糖激酶

GrouptransferIrreversibleincells已糖激酶（hexokinase）的作用機(jī)制：

ATP以Mg2+－ATP復(fù)合物參與反應(yīng)。

Substrate-inducedcleftclosingisageneralfeatureofmostkinase.Hexokinaseisalsoastrikingexampleoftheroleofinducedfit（誘導(dǎo)契合）inenzymeaction.GlucoseHexokinaseInducedfit（誘導(dǎo)契合）

己糖激酶存在于所有細(xì)胞，通常可以磷酸化葡萄糖，也可以磷酸化果糖、甘露糖等。在哺乳動物體內(nèi)已發(fā)現(xiàn)有4種己糖激酶同工酶。肝細(xì)胞所特有的是己糖激酶同工酶D（HexokinaseD）或葡萄糖激酶（Glucokinase）。葡萄糖激酶的特點(diǎn)是對葡萄糖親和力低，受到激素調(diào)節(jié)，對于肝臟調(diào)節(jié)血糖具有重要意義。（兩者的酶動力學(xué)和調(diào)節(jié)特性在糖酵解調(diào)節(jié)部分講述）葡萄糖－6－磷酸生成的意義：捕獲葡萄糖活化葡萄糖葡萄糖－6－磷酸是重要的代謝中間物。與多條糖代謝途徑相關(guān)。

AnaldoseAnketose

isomerizationreversible

磷酸己糖異構(gòu)酶

GrouptransferIrreversible磷酸果糖激酶－1PFK-1這步反應(yīng)是酵解中的限速步驟（committedstep），PFK-1因此也稱之為限速酶。PFK-1是最復(fù)雜的一種調(diào)節(jié)酶。（見3.3.4）

aldolcleavagereversible

醛縮酶aldoseketoseDHAPGAP

isomerizationreversible

磷酸丙糖異構(gòu)酶(TIM)葡萄糖C原子順序變化

redoxandphosphorylationreversiblehighenergy甘油醛-3-磷酸脫氫酶Proposedmechanismofglyceraldehyde3-PdehydrogenaseProposedmechanismofglyceraldehyde3-phosphatedehydrogenase:Thereactionproceedsthroughathioesterintermediate,whichallowstheoxidationofglyceraldehydetobecoupledtothephosphorylationof3-phosphoglycerate.（氧化反應(yīng)和磷酸化反應(yīng)的偶聯(lián)）Iodoacetate（碘乙酸）asaninhibitorofglyceraldehyde3-PdehydrogenaseArsenateuncouplesoxidationfromphosphorylationatthestepcatalyzedbyglyceraldehyde3-Pdehydrogenase,thusit

preventATPsynthesisbutdosenotinhibitglycolysis.（解偶聯(lián)作用）

GrouptransferreversibleThefirstsubstrate-levelphosphorylationstep!底物水平磷酸化磷酸甘油酸激酶isomerizationreversible磷酸甘油酸變位酶

ProposedmechanismofphosphoglyceratemutaseBPGBPG

dehydrationreversible烯醇化酶

G0’

＝–61.9kJ/mol

G0’＝–17.6kJ/molhighenergylowenergyGrouptransferirreversible

丙酮酸激酶Thesecondsubstrate-levelphosphorylationstep!糖酵解小結(jié)preparatoryphasepayoffphase

hexokinasephospho-fructokinase-1pyruvatekinase2X糖酵解小結(jié)：反應(yīng)可分為兩個階段，凈獲能量2ATP和2NADH。共10步反應(yīng)，其中3步為不可逆反應(yīng)，同時也是代謝途徑的三個調(diào)控點(diǎn)。所有中間物都以磷酸化合物形式實(shí)現(xiàn)。

Q:意義是什么？捕獲底物;酶的信號作用;能量儲存等。丙酮酸的去向（fateofpyruvate）

丙酮酸繼續(xù)反應(yīng)——NADH的重新氧化，維持氧化還原的平衡(redoxbalance)。3.3.2.1乳酸發(fā)酵（lactatefermentation）在一些微生物和高等生物中，無氧條件下，丙酮酸在乳酸脫氫酶的催化下還原為乳酸。3.3.2發(fā)酵（fermentation）Lactatefermentation乳酸脫氫酶LDH高等動物糖酵解－乳酸發(fā)酵途徑的生理意義：缺氧條件下迅速為生命活動提供能量的途徑，尤其對肌肉收縮更為重要。是機(jī)體某些組織獲能或主要獲能的方式，如視網(wǎng)膜、神經(jīng)、癌組織等。成熟紅細(xì)胞幾乎完全依賴糖酵解供應(yīng)能量。乳酸的利用：可通過乳酸循環(huán)（Coricycle）在肝臟經(jīng)糖異生途徑轉(zhuǎn)化為糖。（見糖異生）Howtomakecheeseoryogurt?同工酶（Isozymes）

—催化同一反應(yīng)的不同蛋白質(zhì)（酶）

同工酶具有相似的氨基酸序列，可存在于同一組織的不同細(xì)胞，甚至同一細(xì)胞的不同亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，但它們在酶動力學(xué)、調(diào)控活性、輔助因子等方面可能會有所差異，從而使不同的組織、器官或不同的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不同的代謝特征。這為同工酶用來診斷不同器官的疾病提供了理論依據(jù)。

乳酸脫氫酶（lactatedehydrogenase,LDH）

LDH是由兩種肽鏈A和B按不同比例組成的四聚體。五種同工酶（A4，A3B，A2B2，AB3，B4）分別存在于不同的組織，如A4存在于骨骼肌細(xì)胞中，B4存在于心肌細(xì)胞中。五種同工酶的酶活性有差異，如A4易于與丙酮酸結(jié)合，把丙酮酸還原為乳酸，而B4易于把乳酸氧化為丙酮酸。同工酶在代謝調(diào)節(jié)中的調(diào)節(jié)方式：在不同的組織器官表現(xiàn)不同的調(diào)節(jié)方式。在同一細(xì)胞不同位置代謝作用不同。在不同的發(fā)育階段或不同的生理狀態(tài)，由不同的同工酶起作用。不同的同工酶對變構(gòu)調(diào)節(jié)劑的調(diào)節(jié)反應(yīng)不同。3.3.2.2乙醇發(fā)酵（ethanolfermentation）一些酵母和其它微生物在無氧條件下，丙酮酸先后經(jīng)丙酮酸脫羧酶和乙醇脫氫酶的催化作用，脫羧還原為乙醇。（脊椎動物缺乏丙酮酸脫羧酶）PresentonlyinthosealcoholfermentativeorganismsPresentinmanyorganismsincludinghuman丙酮酸脫羧酶乙醇脫氫酶Thiaminepyrophosphate(TPP，焦磷酸硫胺素)containsareactivethiazolering（噻唑環(huán)）whereacarbanion（碳負(fù)離子）canbeformed.DissociableprotonReactivecarbonatom丙酮酸脫羧酶的脫羧機(jī)制羥乙基TPP丙酮酸脫氫酶α-酮戊二酸脫氫酶PentosephosphatepathwayTPP是活化?；妮d體,易于把酰基轉(zhuǎn)移給其他分子。丙酮酸脫羧酶轉(zhuǎn)酮酶乙酰乳酸合成酶Howtomakebeer?珠江啤酒發(fā)酵罐群

Confusingphrases:Glycolysis酵解Fermentation發(fā)酵無氧酵解AnaerobicglycolysisAerobicglycolysis:Warburgeffect3.3.3其它單糖進(jìn)入酵解的途徑（了解）

（Feederpathwaysforglycolysis）

其他單糖可通過轉(zhuǎn)化為糖酵解中間物進(jìn)入糖酵解途徑。Galactosemia半乳糖血癥PFK-1靜脈注射用果糖替代葡萄糖，有什么優(yōu)缺點(diǎn)？臨床上，果糖注射液的適應(yīng)癥是什么？

3.3.4糖酵解途徑的調(diào)節(jié)磷酸果糖激酶-1（phosphofructokinase-1,PFK-1）

—糖酵解途徑最重要的調(diào)控點(diǎn)F-2,6-BP，是1980年發(fā)現(xiàn)的PFK-1最強(qiáng)的變構(gòu)激活劑。F-2,6-BP通過增加PFK-1與F-6-P的親和力以及減少ATP的抑制作用來激活PFK-1的。

F-2,6-BP的水平受到PFK-2和FBPase-2的調(diào)節(jié)。PFK-2和FBPase-2是位于同一條肽鏈上，屬雙功能酶，它們的活性受胰高血糖素通過磷酸化調(diào)節(jié)。RegulationofthelevelofF-2,6-BPPhosphoprotein

phosphaseDomainstructureofthebifunctionalenzymephospho-fructokinase2丙酮酸激酶（pyruvatekinase）變構(gòu)抑制劑：ATP，丙氨酸變構(gòu)激活劑：果糖-1,6-雙磷酸己糖激酶、葡萄糖激酶

（hexokinase,glucokinase）

己糖激酶

抑制劑：葡萄糖-6-磷酸萄萄糖激酶（肝特異）葡萄糖激酶對葡萄糖的親和力比已糖激酶低100倍，不受葡萄糖-6-磷酸的抑制。它的作用是維持血糖水平穩(wěn)定(bufferingbloodglucoselevels)。3.3.5癌癥與糖酵解（結(jié)合拓展閱讀）（Cancerandglycolysis）Q:腫瘤組織糖酵解速度比正常組織快還是慢?為什么?Otto.Warburg(1883～1970)

Warburgeffect:腫瘤細(xì)胞乳酸發(fā)酵途徑增強(qiáng)，表現(xiàn)為葡萄糖消耗增加，乳酸堆積。(1922年）A:腫瘤細(xì)胞生長速度快，超過血管的生成，使腫瘤細(xì)胞處于低氧狀態(tài)，葡萄糖通過糖酵解途徑供應(yīng)能量，因而，葡萄糖的消耗和酵解速度比正常組織大大增加?？梢哉f，腫瘤細(xì)胞酵解速度的加快是對低氧環(huán)境的一種適應(yīng)。VEGFCancer(p53)Highrateofglycolysisintumorssuggeststargetsforchemotherapy(化療藥物研究）2-脫氧葡萄糖氯尼達(dá)明3-溴丙酮酸己糖激酶抑制劑：腫瘤診斷：正電子斷層掃描技術(shù)（positronemissiontomography，PET）（結(jié)合課后思考題自學(xué)）3.3.6糖酵解與進(jìn)化（Glycolysis

andevolution）

糖酵解途徑被認(rèn)為是生物最古老最原始獲取能量的一種方式。在進(jìn)化過程中，大多數(shù)較高等生物，雖然進(jìn)化為利用有氧條件進(jìn)行生物氧化獲取大量的自由能，但仍保留了這種原始方式。糖酵解的十步反應(yīng)，成為生物體共同經(jīng)歷的葡萄糖的分解代謝前期途徑。3.4戊糖磷酸途徑

（Pentosephosohatepathway）概念以葡萄糖-6-磷酸開始，在葡萄糖-6-磷酸脫氫酶催化下形成6-磷酸葡萄糖酸，進(jìn)而代謝生成磷酸戊糖作為中間代謝產(chǎn)物，故將此過程稱為戊糖磷酸途徑。生理意義產(chǎn)生NADPH和核糖-5-磷酸。也是植物光合作用從CO2合成葡萄糖的部分途徑。NADPH的主要功能作為供氫體參與體內(nèi)多種生物合成反應(yīng)是谷胱甘肽還原酶的輔酶參加肝臟生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)（如參與羥化反應(yīng)）參與體內(nèi)嗜中性粒細(xì)胞及巨噬細(xì)胞在吞噬細(xì)菌后產(chǎn)生超氧陰離子的反應(yīng)，有殺菌作用。主要反應(yīng)部位肝臟、脂肪組織、泌乳期乳腺、腎上腺皮質(zhì)、骨髓、紅細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)胞等。反應(yīng)過程可分為氧化階段和非氧化兩個階段。氧化階段的意義是產(chǎn)生NADPH和核糖-5-磷酸。非氧化階段的意義是從5C糖再生6C糖，把戊糖磷酸途徑和糖酵解途徑連接起來，使產(chǎn)物可根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。磷酸戊糖途徑的氧化階段磷酸戊糖途徑的非氧化階段差向酶轉(zhuǎn)酮酶轉(zhuǎn)醛酶核糖-5-磷酸木酮糖-5-磷酸甘油醛-3-磷酸景天酮糖-7-磷酸赤蘚糖-4-磷酸果糖-6-磷酸木酮糖-5-磷酸Regenerationof6-CGlucose6-Pfrom5-CRibose5-P磷酸戊糖途徑的調(diào)節(jié)氧化階段：葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PD）是限速酶。NADPH反饋抑制酶的活性。非氧化階段：受控于底物濃度。葡萄糖-6-磷酸脫氫酶缺乏癥（Glucose6-PhosphateDehydrogenaseDeficiency）簡稱G6PD缺乏癥，又稱蠶豆病。是一種伴性遺傳病。我國以南方地區(qū)發(fā)病率較高。癥狀：紅細(xì)胞在一些因素的誘發(fā)下溶解，血紅蛋白釋放到血液中，引起黃疸和腎功能障礙。誘發(fā)因素包括：進(jìn)食蠶豆、抗瘧疾藥物、磺胺類抗生素以及接觸一些除草劑。發(fā)病機(jī)制

NADPH和谷胱甘肽的抗氧化機(jī)制G6PD缺乏癥在一定條件下具有進(jìn)化優(yōu)勢--G6PD缺乏癥患者對瘧疾的抵抗力比正常人強(qiáng)一些。

Ascientisthasthiscomment,Naturemaybecruelandcalculating,butitisnotillogical!

本章代謝途徑：1.

Glycolysis(lactatefermentation,ethanolfermentation)2.Pentosephosphatepathway小結(jié)糖酵解途徑可分為兩個階段，共10步反應(yīng)，其中3步為不可逆反應(yīng)，同時也是代謝途徑的三個調(diào)控點(diǎn)。凈獲2ATP和2NADH。糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸在無氧條件下可還原為乳酸或乙醇，以維持氧還平衡。其他單糖可通過轉(zhuǎn)化為糖酵解中間物