糖酵解

生物化学之糖酵解知识总结，包括糖酵解的定义、糖酵解的调节（通过调节酶的活性严格而精确地调节代谢）、化学计量、生化历程、糖酵解的意义等内容。

糖酵解

• 定义（糖酵解是指葡萄糖在酶的作用下，在细胞质中经一系列脱氢氧化分解为丙酮酸的过程，由于其氧化分解没有氧气参与，所以叫酵解，又叫EMP途径）
• 糖酵解的调节（通过调节酶的活性严格而精确地调节代谢）
  • 限速酶
    • 含义
      • 在一个代谢过程中往往催化不可逆反应的酶限制代谢反应速度，这种酶称为限速酶
    • 糖酵解中的调节酵解速度，满足细胞对ATP和合成原料的需要的主要限制酶
      • 磷酸果糖激酶-1（PFK-1）酵解速度主要取决于他的活性，最主要（三个限速酶中起决定作用的，也是催化效率最低的酶)
        • 别构抑制剂
          • ATP（通过浓度变化影响磷酸果糖激酶活性，调节糖酵解速度)
            • 既是该酶作用的底物，又起抑制作用
              • 作用机制（酶活性中心对ATP的km低，而别构中心对ATP的km值高)
                • 当ATP浓度低时，ATP和酶的活性中心结合为底物。酶发挥正常的催化功能
                • 当ATP浓度高时，ATP可被酶的别构中心结合，引起酶构象的变化而失活。
          • 氢离子
            • H+对磷酸果糖激酶的调节PFK被H+抑制，因此，在PH明显下降时糖酵解速率降低。这防止在缺氧条件下形成过量的乳酸而导致酸毒症。
          • 柠檬酸和脂肪酸（反馈抑制）
            • 柠檬酸和脂肪酸分别是对糖有氧分解中间物和以糖分解中间物为原料合成的产物
        • 别构激活剂
          • 6-磷酸果糖（前馈激活）[果糖-2，6-二磷酸激酶（PFK2）对磷酸果糖激酶的调节]
            • 果糖-2，6-二磷酸激酶（PFK2）催化果糖-6-磷酸（F-6-P)磷酸化形成果糖-2，6-二磷酸（F-2,6-BP）而果糖-2，6-二磷酸酯酶（FBPase2）催化果糖-2，6-二磷酸水解去磷酸形成F-6-P
            • 但这两个相反催化活性的酶是集两种活性为同一多肽链的双功能酶，即N端一半为PFK2的活性中心，C端一半为FBPase2活性中心，一般写作PFK2/FBPase2.F-6-P激活其PFK2活性而抑制其FBPase2活性，而F-2，6-BP强烈激活PFK，因此,F-6-P高时促进糖酵解进行(前馈激活）。
          • 血糖浓度
            • 当血液中葡萄糖水平降低时，激活胰高血糖素释放于血液中，启动cAMP级联系统使PFK2/PBPase2多肽上特定的一个 Ser残基磷酸化，而使FBPase2活化,PFK2抑制，使F-2，6-BP水平降低，从而也降低了糖酵解水平。
            • 当葡萄糖水平高时，蛋白磷酸酶水解PFK2/FBPase2上的磷酸导致F-2,6-BP升高，提高糖酵解速率。
          • AMP
          • ADP
      • 己糖激酶（HK）
        • 别构抑制剂
          • （其产物)6-磷酸葡萄糖（反馈抑制）
            • 当磷酸果糖激酶活性被抑制时，底物6-磷酸果糖积累，进而使6-磷酸葡萄糖的浓度升高，从而引起己糖激酶活性下降。
        • 该酶是酵解过程的第一个别构[调节]酶，受产物G-6-P强烈别构抑制。肝脏中主要是以glucokinase存在，对G1c有特异活性，不受G-6-P的抑制，是诱导酶，受胰岛素调控。
          • 己糖激酶对葡萄糖的Km是0.1mmo1/L； 葡萄糖激酶对葡萄糖的Km是10mmo1/L； 血液中的葡萄糖含量（血糖），平时约5mmo1/L，进食后可升至10mmo1/L
        • 别构激活剂
      • 丙酮酸激酶（PK）
        • 丙酮酸激酶具有变构酶性质。。
          • 别构抑制剂（反馈抑制）
            • 高浓度ATP
              • 当ATP的生成量超过细胞自身需要时，通过丙酮酸激酶的别构抑制使糖酵解速度减低
            • cAMP激活的蛋白激酶
              • 可使丙酮酸激酶磷酸化而失活
            • 乙酰辅酶A等代谢物
            • 丙氨酸
          • 别构激活剂
            • ADP（变构激活剂）
            • 镁离子
            • 钾离子
• 化学计量
  • 反应总式葡萄糖➕2Pi➕2ADP➕2NAD+→2丙酮酸➕2ATP➕2NADH➕2H+➕2水
  • 产生能量
    • 有氧
      • 2NADH进入线粒体经呼吸链氧化又可以产生6分子ATP,再加上由底物水平磷酸化形成的2分子ATP，故共产生8ATP（不一定）
    • 无氧
      • 2NADH还原丙酮酸，生成2分子乳糖或乙醇，故净产生2分子ATP
  • 丙酮酸代谢命运
    • 无氧条件
      • 丙酮酸转变为乳酸
        • 丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下生成乳酸
        • 此外，丙酮酸作为H的受体把三磷酸甘油醛脱氢生成的NADH氧化为NAD➕，继续参与糖酵解
      • 丙酮酸转化为乙醛，进而变为乙醇
        • （酵母菌或其他微生物中）丙酮酸在丙酮酸脱羧酶的作用下生成乙醛，乙醛在醇脱氢酶的作用下被nadh还原形成乙醇
        • 乙醇发酵存在于真菌和缺氧的植物器官（如淹水的根中），乙醇发酵可用于酿酒，面包制作等，在有氧的条件下，乙醛可被氧化生成乙酸
    • 有氧条件
      • 氧化脱羧生成乙酰CoA进入三羧酸循环，氧化供能
    • 丙酮酸作为其他物质合成的前体（如Ala丙氨酸等）
  • NADH和H+的代谢命运
    • 无氧条件
      • 乙醇发酵受氢，解决重氧化
      • 乳酸发酵受氢，解决重氧化
    • 有氧条件
      • 通过呼吸链递氧，最终生成水和ATP
  • 拓展延伸
    • 果糖进入糖酵解
      • 肌肉肾脏和脂肪组织中己糖激酶催化果糖和ATP生成6-磷酸果糖和ADP，直接进入酵解
    • 半乳糖进入糖酵解
      • 半乳糖和ATP在半乳糖激酶和镁离子的作用下生成1-磷酸半乳糖尿苷酰转移酶，缺乏会导致半乳糖血症
• 生化历程（三个阶段，十个反应）（反应①~⑤是糖酵解的准备阶段或者吸能阶段，⑥~⑩是放能阶段，⑦和⑩是两次底物水平磷酸化，）
  • 己糖磷酸化
    • ①葡萄糖的磷酸化葡萄糖和ATP在己糖激酶和镁离子的共同作用下不可逆生成6-磷酸葡萄糖和ADP和H➕
    • ②6-磷酸葡萄糖的异构反应6-磷酸葡萄糖在磷酸己糖异构酶可逆生成6-磷酸果糖
    • ③6-磷酸果糖的磷酸化6-磷酸果糖和ATP在磷酸果糖激酶-1和镁离子的共同作用下不可逆生成1，6-二磷酸果糖，ADP和氢离子
  • 磷酸己糖的裂解
    • ④1，6-二磷酸果糖的裂解 1，6-二磷酸果糖在醛缩酶的作用下可逆生成磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛
    • ⑤磷酸二羟丙酮的异构反应磷酸二羟丙酮在磷酸丙糖异构酶的作用下可逆迅速生成3-磷酸甘油醛（至此一分子葡萄糖生成两分子3-磷酸甘油醛，通过两次磷酸化作用消耗两分子ATP）
    • ⑥3-磷酸甘油醛的氧化3-磷酸甘油醛和NAD+,pi在3-磷酸甘油醛脱氢酶的作用下可逆生成1，3-二磷酸甘油酸和NADH和氢离子
      • 砷酸盐的解偶联反应
        • 3-磷酸甘油醛➕砷酸在3-磷酸甘油酸脱氢酶的作用下可逆生成1-砷酸-3-磷酸甘油酸
        • 在砷酸存在下反应式3-磷酸甘油醛和NAD+和水反应生成3-磷酸甘油酸和NADH和氢离子
    • ⑦1，3-二磷酸甘油酸的高能磷酸键转移反应1，3-二磷酸甘油酸和ADP在磷酸甘油酸激酶和镁离子的共同作用下不可逆生成3-磷酸甘油酸和ATP（第一次底物水平磷酸化）
      • 在底物氧化过程中，将底物分子中的高能磷酸集团直接转移给ADP，偶联生成ATP的反应叫底物水平磷酸化
    • ⑧3-磷酸甘油酸的变位反应3-磷酸甘油酸在磷酸甘油酸变位酶的作用下可逆生成2-磷酸甘油酸
  • 丙酮酸的生成
    • ⑨2-磷酸甘油酸的脱水反应2-磷酸甘1油酸在烯醇化酶的作用下可逆生成磷酸烯醇式丙酮酸和水
    • ⑩磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸转移磷酸烯醇式丙酮酸和ADP在丙酮酸激酶的和镁离子的共同作用下不可逆生成丙酮酸和ATP（第二次底物水平磷酸化）
• 糖酵解的意义
  • 1、糖酵解是存在一切生物体内糖分解代谢的普 遍途径。
  • 2、通过糖酵解使葡萄糖降解生成ATP，为生命活动提供部分能量，尤其对厌氧生物是获得能量的主要方式。
  • 3、糖酵解途径的许多中间产物可作为合成其他 物质的原料（提供碳骨架）。
  • 4、是糖有氧分解的准备阶段。
  • 5、由非糖物质转变为糖的异生途径基本为之逆 过程。
• EMP总结 1.无氧条件下，G1c分解为乙醇或乳酸，为无氧分解。(1)酵母等，Glc→2ethanol+2CO2（2）肌肉等，Glc→2 lactate 2.虽无02参与，但有脱氢反应，H的受体为NAD+，胞质中NAD+少，须解决NADH的重新氧化。 3.两种发酵均净生成2分子ATP，为底物水平磷酸化。 4.需要辅助因子，如NAD+，Mg2+等。 5.最重要的调节酶是PFK-1