糖代謝與控制

關(guān)于糖代謝與控制第一節(jié)

糖代謝與調(diào)節(jié)一.糖分解途徑微生物對糖進(jìn)行分解代謝，主要的有氧降解和無氧降解兩大類型有氧降解可分兩條途徑：（1）EMP途徑丙酮酸TCA循環(huán)；（2）HMP途徑。有氧降解的最終產(chǎn)物為CO2和H2O。無氧降解一般也經(jīng)EMP和HMP途徑兩種方式，其產(chǎn)物為有機(jī)酸、醇、氣體（CO2和H2）

第2頁,共36頁，2024年2月25日，星期天二.糖酵解途徑(EMP途徑)糖酵解途徑是指細(xì)胞在胞漿中分解葡萄糖生成丙酮酸的過程，此過程中伴有少量ATP的生成。在缺氧條件下丙酮酸被還原為乳酸稱為糖酵解。有氧條件下丙酮酸可進(jìn)一步氧化分解生成乙酰CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán)，生成CO2和H2O。糖酵解分為兩個階段共10個反應(yīng)，每個分子葡萄糖經(jīng)第一階段共5個反應(yīng)，消耗2個分子ATP為耗能過程，第二階段5個反應(yīng)生成4個分子ATP為釋能過程。第3頁,共36頁，2024年2月25日，星期天葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-果糖1，6-二磷酸-果糖磷酸二羥丙酮3-磷酸-甘油醛第一階段1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸第二階段己糖激酶磷酸葡萄糖異構(gòu)酶磷酸果糖激酶醛縮酶磷酸丙糖異構(gòu)酶磷酸甘油醛脫氫酶磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸變位酶烯醇化酶丙酮酸激酶第4頁,共36頁，2024年2月25日，星期天在細(xì)胞液階段的過程中，一個分子的葡萄糖或糖原中的一個葡萄糖單位，可氧化分解產(chǎn)生2個分子的丙酮酸，在生理條件下有三步是不可逆的單向反應(yīng)，催化這三步反應(yīng)的酶活性較低，是整個糖的有氧氧化過程的關(guān)鍵酶，其活性大小，對糖的氧化分解速度起決定性作用，在此階段經(jīng)底物水平磷酸化產(chǎn)生四個分子ATP。第5頁,共36頁，2024年2月25日，星期天經(jīng)過糖酵解途徑，一個分子葡萄糖可氧化分解產(chǎn)生2個分子丙酮酸。在此過程中，經(jīng)底物水平磷酸化可產(chǎn)生4個分子ATP，如與第一階段葡萄糖磷酸化和磷酸果糖的磷酸化消耗二分子ATP相互抵消，每分子葡萄糖降解至丙酮酸凈產(chǎn)生2分子ATP，如從糖原開始，因開始階段僅消耗1分子ATP，所以每個葡萄糖單位可凈生成3分子ATP。第6頁,共36頁，2024年2月25日，星期天丙酮酸在無氧條件下生成乳酸氧供應(yīng)不足時從糖酵解途徑生成的丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗?。缺氧時葡萄糖分解為乳酸稱為糖酵解，因它和酵母菌生醇發(fā)酵非常相似。丙酮酸轉(zhuǎn)變成乳酸由乳酸脫氫酶催化丙酮酸乳酸脫氫酶乳酸在這個反應(yīng)中丙酮酸起了氫接受體的作用。由3-磷酸甘油醛脫氫酶反應(yīng)生成的NADH+、H+，缺氧時不能經(jīng)電子傳遞鏈氧化。正是通過將丙酮酸還原成乳酸，使NADH轉(zhuǎn)變成NAD+，糖酵解才能繼續(xù)進(jìn)行。

第7頁,共36頁，2024年2月25日，星期天三.ＨＭＰ途徑HMP途徑的生物化學(xué)過程:葡萄糖首先經(jīng)EMP途徑的第一步反應(yīng)進(jìn)行磷酸化，生成6—磷酸葡糖，然而進(jìn)入HMP途徑。反應(yīng)在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。HMP途徑的反應(yīng)比較復(fù)雜，通?？梢苑譃閮蓚€階段，第一階段由磷酸已糖生成磷酸戊糖，第二階段由磷酸戊糖重新組成磷酸己糖。第8頁,共36頁，2024年2月25日，星期天6-磷酸-葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸-核酮糖66665-磷酸-核糖25-磷酸-木酮糖5-磷酸-木酮糖227-磷酸-景天庚酮糖3-磷酸-甘油醛226-磷酸-果糖4-磷酸-赤蘚糖22++++6-磷酸-果糖23-磷酸-甘油醛+26-磷酸-葡萄糖46-磷酸葡萄糖氧化階段1NADPHNADPH66CO26Pi1H+6H+6++非氧化階段HO26第9頁,共36頁，2024年2月25日，星期天HMP途徑的反應(yīng)過程可以看作有6分子6—磷酸葡糖同時參加反應(yīng)，經(jīng)過脫氫、氧化脫羧作用生成6分子二氧化碳和6分子磷酸戊糖，脫下的氫則轉(zhuǎn)移給NADP，生成12分了NADPH2。6分子磷酸戊糖經(jīng)異構(gòu)化及分子間基團(tuán)轉(zhuǎn)移作用，生成4分子6—磷酸果糖和2分子3—磷酸甘油醛，又通過反應(yīng)(8)一(9)，最終又生成5分子6—磷酸葡糖由此可以看出，6分子6—磷酸葡糖經(jīng)由HMP途徑代謝的結(jié)果，重新又生成5分子6—磷酸葡糖。可以認(rèn)為只有1分子6—磷酸葡糖被徹底分解，生成6分子二氧化碳。同時產(chǎn)生12分子NADPH2。

第10頁,共36頁，2024年2月25日，星期天HMP途徑總反應(yīng)式可歸結(jié)為：66—磷酸葡糖十7H20十12NADP56—磷酸葡糖十6CO2十12NADPH2十H3P04

或6-磷酸葡糖十7H2O十12NADP6C02十12NADPH2十H3P04在有氧條件下，NADPH2上的氫可經(jīng)轉(zhuǎn)氫酶的作用轉(zhuǎn)給NAD，然后經(jīng)呼吸鏈，最終傳遞給分子氧，同時由電子傳遞磷酸化產(chǎn)生ATP。

12NADPH2十12NAD12NADP十12NADH212NADH2十60212NAD十12H20

由電子傳遞磷酸化產(chǎn)生36ATP，即：36ADP十36H3P0436ATP十36H20第11頁,共36頁，2024年2月25日，星期天HMP途徑的最終反應(yīng)式可寫成6—磷酸葡糖十602十36ADP十35H3P046C02十36ATP十41H20如反應(yīng)從葡萄糖開始時，因：葡萄糖十ATP6—磷酸葡糖十ADP故上式可寫成：C6H12O6十602十35ADP十35H3P046C02十35ATP十41H20第12頁,共36頁，2024年2月25日，星期天四.ED途徑（脫氧酮糖酸途徑）

ED途徑，也稱為2—酮—3—脫氧—6—磷酸葡萄糖酸裂解途徑。這個途徑的關(guān)鍵步驟是2—酮3—脫氧—6—磷酸葡萄糖酸的3，3裂解(即分解成為2個3碳化合物)ED途徑只有1分子丙酮酸來自3—磷酸甘油醛，所以只能產(chǎn)生2分子ATP，扣除激活葡萄糖所消耗的1分子ATP，凈得1分子ATP,較酵母菌酒精發(fā)酵時少產(chǎn)生1分子ATP。第13頁,共36頁，2024年2月25日，星期天葡萄糖6—磷酸葡萄糖6—磷酸葡萄糖酸2—酮—3—脫氧—6—磷酸葡萄糖酸3—磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸乳酸乙醛乙醛2乙醇或2H脫水酶-H2O+ATP2ATP2H+Pi2CO2第14頁,共36頁，2024年2月25日，星期天五、糖的有氧氧化（TCA循環(huán)）葡萄糖在有氧條件下，氧化分解生成二氧化碳和水的過程稱為糖的有氧氧化。有氧氧化是糖分解代謝的主要方式，大多數(shù)組織中的葡萄糖均進(jìn)行有氧氧化分解供給機(jī)體能量。糖的有氧氧化分兩個階段進(jìn)行。第一階段是由葡萄糖生成的丙酮酸，在細(xì)胞液中進(jìn)行。第二階段是上述過程中產(chǎn)生的NADH+H+和丙酮酸在有氧狀態(tài)下，進(jìn)入線粒體中，丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán)，進(jìn)而氧化生成CO2和H2O，同時NADH+、H+等可經(jīng)呼吸鏈傳遞，伴隨氧化磷酸化過程生成H2O和ATP。

第15頁,共36頁，2024年2月25日，星期天1.丙酮酸的氧化脫羧

丙酮酸脫氫酶系

CH3-CO-COOH+HS-COACH3CO∽SCOA+CO2

NAD+NADH+第16頁,共36頁，2024年2月25日，星期天2.三羧酸循環(huán)(TCA循環(huán))乙酰CoA進(jìn)入由一連串反應(yīng)構(gòu)成的循環(huán)體系，被氧化生成H2O和CO2。由于這個循環(huán)反應(yīng)開始于乙酰CoA與草酰乙酸縮合生成的含有三個羧基的檸檬酸，因此稱之為三羧酸循環(huán)或檸檬酸循環(huán)。

第17頁,共36頁，2024年2月25日，星期天乙酰-CoA檸檬酸順烏頭酸異檸檬酸草酰琥珀酸α-酮戊二酸琥珀酰-CoA琥珀酸延胡索酸蘋果酸草酰乙酸檸檬酸合成酶（縮合）異檸檬酸脫氫酶（氧化脫羧）順烏頭酸酶（脫水）順烏頭酸酶（水化）α-酮戊二酸脫氫酶系（氧化脫羧）琥珀酰-CoA合成酶（底物水平磷酸化）琥珀酸脫氫酶（氧化）延胡索酸酶（加水）蘋果酸脫氫酶（氧化）NADHCO2NADHCO2GTPFADH2NADHH2OH2OH2OH2O第18頁,共36頁，2024年2月25日，星期天三羰酸循環(huán)總結(jié)：乙酰CoA+3NADH++FAD+GDP+Pi+2H2O

2CO2+3NADH+FADH+GTP+3H++CoASH①CO2的生成，循環(huán)中有兩次脫羧基反應(yīng)(反應(yīng)3和反應(yīng)4)兩次都同時有脫氫作用，但作用的機(jī)理不同，由異檸檬酸脫氫酶所催化的β氧化脫羧，輔酶是NAD+，它們先使底物脫氫生成草酰琥珀酸，然后在Mn2+或Mg2+的協(xié)同下，脫去羧基，生成α-酮戊二酸。α-酮戊二酸脫氫酶系所催化的α-氧化脫羧反應(yīng)和前述丙酮酸脫氫酶系所催經(jīng)的反應(yīng)基本相同。應(yīng)當(dāng)指出，通過脫羧作用生成CO2，是機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生CO2的普遍規(guī)律，由此可見，機(jī)體CO2的生成與體外燃燒生成CO2的過程截然不同。第19頁,共36頁，2024年2月25日，星期天②三羧酸循環(huán)的四次脫氫，其中三對氫原子以NAD+為受氫體，一對以FAD為受氫體，分別還原生成NADH+H+和FADH。它們又經(jīng)線粒體內(nèi)遞氫體系傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，在此過程中釋放出來的能量使ADP和Pi結(jié)合生成ATP，凡NADH+、H+參與的遞氫體系，每2H氧化成一分子H2O，生成3分子ATP，而FADH2參與的遞氫體系則生成2分子ATP，再加上三羧酸循環(huán)中有一次底物磷酸化產(chǎn)生一分子ATP，那么，一分子CH2COSCoA參與三羧酸循環(huán)，直至循環(huán)終末共生成12分子ATP。③乙酰CoA中乙?；奶荚?，乙酰CoA進(jìn)入循環(huán)，與四碳受體分子草酰乙酸縮合，生成六碳的檸檬酸，在三羧酸循環(huán)中有二次脫羧生成2分子CO2，與進(jìn)入循環(huán)的二碳乙?；奶荚訑?shù)相等，但是，以CO2方式失去的碳并非來自乙酰基的兩個碳原子，而是來自草酰乙酸。

第20頁,共36頁，2024年2月25日，星期天③三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物，從理論上講，可以循環(huán)不消耗，但是由于循環(huán)中的某些組成成分還可參與合成其他物質(zhì)，而其他物質(zhì)也可不斷通過多種途徑而生成中間產(chǎn)物，所以說三羧酸循環(huán)組成成分處于不斷更新之中。第21頁,共36頁，2024年2月25日，星期天六、乙醛酸循環(huán)乙醛酸循環(huán)是TCA循環(huán)的一段支路或TCA循環(huán)的變體乙醛酸循環(huán)的關(guān)鍵酶是異檸檬酸裂解酶和蘋果酸合成酶（1）異檸檬酸裂解

異檸檬酸裂解酶異檸檬酸乙醛酸+琥珀酸（2）蘋果酸合成蘋果酸合成酶Mg++

乙醛酸+乙酰CoA蘋果酸

第22頁,共36頁，2024年2月25日，星期天七、CO2固定反應(yīng)（伍德—沃克曼反應(yīng)）CO2固定作用主要通過以下幾種途徑完成：1．磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下，生成草酰乙酸

磷酸烯醇式丙酮酸+CO2+GDP（IDP）

草酰乙酸+GTP（ITP）2．丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下生成草酰乙酸。

丙酮酸+CO2+ATP草酰乙酸+GDP3．丙酮酸在蘋果酸酶催化下進(jìn)行還原羧化反應(yīng)，生成蘋果酸，蘋果酸在蘋果酸脫氫酶的作用下，生成草酰乙酸。第23頁,共36頁，2024年2月25日，星期天八、糖代謝的調(diào)節(jié)（一）

能荷調(diào)節(jié)糖代謝的調(diào)節(jié)主要受細(xì)胞內(nèi)能量水平的控制。糖代謝最重要的生理功能是以ATP的形式供給能量。生物合成時（能荷低）ATPADPAMP糖分解酶激活能荷高時AMPADPATP糖分解酶抑制（二）生物素調(diào)節(jié)生物素主要影響糖解速度生物素充分糖解速度顯著提高，比丙酮酸氧化速度提高更快，造成乳酸積累。生物素缺乏NAD水平降低，引起四碳二羧酸氧化能力下降，乙醛酸循環(huán)關(guān)鍵酶受阻遏，，代謝流向谷氨酸第24頁,共36頁，2024年2月25日，星期天D-葡萄糖D-葡萄糖酸D-葡萄糖-6-磷酸6-磷酸-D-葡萄糖D-核酮糖-5-磷酸D-木酮糖-5-磷酸D-核糖-5-磷酸D-核糖一、D-核糖發(fā)酵的生物合成途徑

第二節(jié)D-核糖發(fā)酵第25頁,共36頁，2024年2月25日，星期天二、D-核糖發(fā)酵的發(fā)酵機(jī)制D-核糖發(fā)酵的發(fā)酵必須選育喪失轉(zhuǎn)酮酶活力的突變株。第26頁,共36頁，2024年2月25日，星期天三、D-核糖發(fā)酵的代謝控制育種1、

出發(fā)菌株的選擇芽孢桿菌屬細(xì)菌轉(zhuǎn)酮酶缺陷突變株具普遍性，一般采用芽孢桿菌屬細(xì)菌做出發(fā)菌株2、

轉(zhuǎn)酮酶缺陷突變株的分離分離轉(zhuǎn)酮酶缺陷突變株，可采用以下遺傳標(biāo)記不利用D-葡萄糖酸或L-阿拉伯糖的突變株莽草酸缺陷突變株L-色氨酸缺陷、L-酪氨酸缺陷、L-苯丙氨酸缺陷、COQ缺陷、VK缺陷第27頁,共36頁，2024年2月25日，星期天3、其它標(biāo)記高葡萄糖脫氫酶活性喪失孢子形成能力4、利用基因工程技術(shù)育種芽孢桿菌屬細(xì)菌轉(zhuǎn)酮酶基因克隆PUB110氯霉素?；D(zhuǎn)移酶插入到轉(zhuǎn)酮酶基因轉(zhuǎn)化致枯草芽孢桿菌中5、發(fā)酵控制C源：葡萄糖、山梨醇甘油、淀粉N源：酵母、牛肉膏、酵母膏、蛋白胨、玉米漿等發(fā)酵條件；好氣、PH中性、37℃。第28頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

第三節(jié)檸檬酸發(fā)酵葡萄糖一、檸檬酸的生物合成途徑丙酮酸草酰乙酸乙酰COA檸檬酸TCAEMP檸檬酸合成酶第29頁,共36頁，2024年2月25日，星期天二、檸檬酸發(fā)酵機(jī)制為了積累檸檬酸，必須檸檬酸合成酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、丙酮酸羧化酶強(qiáng)烏頭酸酶、異檸檬酸脫氫酶、異檸檬酸裂解酶

弱第30頁,共36頁，2024年2月25日，星期天三、檸檬酸發(fā)酵的代謝控制育種1、出發(fā)菌株的選擇能產(chǎn)生檸檬酸的微生物較多，在工業(yè)上應(yīng)用的主要有以糖質(zhì)為原料曲霉屬（黑曲霉、泡盛酒曲霉、溫氏曲霉、甘薯酒曲霉、米曲霉、棒曲霉、金黃曲霉、硫球曲霉等）以石油為原料酵母菌（解脂假絲酵母等）2、選擇透明圈大的突變株在平板培養(yǎng)中，形成透明圈大的檸檬酸產(chǎn)量高3、選擇顯色圈大的突變株

在平板培養(yǎng)中加入PH指示劑，顯色圈大，檸檬酸產(chǎn)量高。第31頁,共36頁，2024年2月25日，星期天4、選育耐高滲透壓的突變株菌體要高產(chǎn)檸檬酸,必須能在高糖、高檸檬酸的培養(yǎng)基中生長。A選育在含16%—25%的甘薯粉的平板上生長良好的突變株。B選育在含10%—20%檸檬酸的平板上生長良好的突變株。5、

選育不分解檸檬酸的突變株A選育在以檸檬酸為唯一碳源的培養(yǎng)基上不生長或生長微弱的突變株。B選育烏頭酸酶活性低的突變株。第32頁,共36