1、糖酵解（糖酵解（Glycolysis）与）与发酵（发酵（Fermentation） 无氧条件下糖的降解过程，糖经一系列的酶促无氧条件下糖的降解过程，糖经一系列的酶促反应变成丙酮酸，并生成反应变成丙酮酸，并生成ATP，是一切生物细，是一切生物细胞中胞中Glc分解产生能量的共同代谢途径，也称分解产生能量的共同代谢途径，也称Glycolytic pathway，或，或Embden-Meyerhof-Parnas(EMP) pathway。 厌氧生物（酵母及其他微生物）把酵解中生成厌氧生物（酵母及其他微生物）把酵解中生成的的NADH+H+用于还原丙酮酸生成乙醛，进而用于还原丙酮酸生成乙醛，进而产生乙醇
2、，称为乙醇（酒精）发酵。产生乙醇，称为乙醇（酒精）发酵。 肌肉等组织或微生物在无氧或暂时缺氧条件下，肌肉等组织或微生物在无氧或暂时缺氧条件下，酵解中生成的酵解中生成的NADH+H+用于把丙酮酸用于把丙酮酸乳酸，乳酸，称为乳酸发酵。称为乳酸发酵。 碳水化合物进入碳水化合物进入酵解途径的前奏酵解途径的前奏除葡萄糖以外，其他碳水化合物通过除葡萄糖以外，其他碳水化合物通过酵解进入分解代谢，必须首先转变为酵酵解进入分解代谢，必须首先转变为酵解途径的任一中间物。最重要的是贮存解途径的任一中间物。最重要的是贮存多糖（淀粉和糖元）、二糖（麦芽糖、多糖（淀粉和糖元）、二糖（麦芽糖、乳糖、蔗糖、海藻糖）及单糖（果
3、糖、乳糖、蔗糖、海藻糖）及单糖（果糖、甘露糖、半乳糖）。甘露糖、半乳糖）。糖元和淀粉通过相应的磷酸化酶、磷糖元和淀粉通过相应的磷酸化酶、磷酸葡萄糖变位酶生成酸葡萄糖变位酶生成G-6-P进入酵解。其进入酵解。其他单糖可形成多个分支点的中间屋进入他单糖可形成多个分支点的中间屋进入酵解。酵解。糖元、淀粉、二糖、己糖元、淀粉、二糖、己糖进入酵解的准备过程糖进入酵解的准备过程糖的有氧和无氧分解糖的有氧和无氧分解D-葡萄糖的代谢命运葡萄糖的代谢命运D-Glc是多数生物的主要代谢燃料，在代谢中占有是多数生物的主要代谢燃料，在代谢中占有中心地位。葡萄糖含有较高的能量，氧化生成中心地位。葡萄糖含有较高的能量，氧
4、化生成H2O和和CO2放出自由能放出自由能2840kj/mol、变为大分子的淀粉或糖元、变为大分子的淀粉或糖元贮存又可维持相对低的摩尔渗透压浓度，而需要能量贮存又可维持相对低的摩尔渗透压浓度，而需要能量时又可分解成葡萄糖氧化供能。时又可分解成葡萄糖氧化供能。葡萄糖不仅仅是一个能量分子，还是一个常见的葡萄糖不仅仅是一个能量分子，还是一个常见的前体分子，可为生物合成反应提供中间物，如大肠杆前体分子，可为生物合成反应提供中间物，如大肠杆菌可利用葡萄糖和其碳架合成所有的氨基酸、核苷酸、菌可利用葡萄糖和其碳架合成所有的氨基酸、核苷酸、辅酶、脂肪酸、和生长所需的各种代谢中间物。葡萄辅酶、脂肪酸、和生长所需
5、的各种代谢中间物。葡萄糖有成千上万种转化，高等动植物中主要有三种：变糖有成千上万种转化，高等动植物中主要有三种：变成糖元或淀粉贮存、酵解为三碳化合物（丙酮酸）或成糖元或淀粉贮存、酵解为三碳化合物（丙酮酸）或通过通过HMP（戊糖磷酸途径）变为戊糖。（戊糖磷酸途径）变为戊糖。高等植物和动物细胞的高等植物和动物细胞的葡萄糖主要利用途径葡萄糖主要利用途径酵解酵解(Glycolysis)酵解（酵解（Glycolysis,希腊语希腊语glykys，意为，意为sweet和和lysis)。一分子葡萄糖通过一系列。一分子葡萄糖通过一系列的酶促反应生成的酶促反应生成2分子三碳化合物分子三碳化合物丙酮丙酮酸，并生成
6、酸，并生成ATP和和NADH。是第一个发现的也可能是最清楚的代是第一个发现的也可能是最清楚的代谢途径，谢途径，1897年年Edward Buchner通过发通过发酵酵母抽提物发现，最终搞清楚是酵酵母抽提物发现，最终搞清楚是1941年由年由Fritz Lipmann和和Herman Kalckar完完成。成。EMP途径途径分为三个阶段：分为三个阶段： 1）Glc 磷酸化形成己糖的磷酸酯（包括反应磷酸化形成己糖的磷酸酯（包括反应1、2、3），消耗），消耗2ATP，产物为，产物为F-1,6-diP。 2）磷酸己糖裂解为两分子三碳糖（反应）磷酸己糖裂解为两分子三碳糖（反应4），），由醛缩酶由醛缩酶(a
7、ldolase)催化，产物为催化，产物为3-P-甘油醛甘油醛（G-3-P）和磷酸二羟丙酮）和磷酸二羟丙酮(DHAP)，断裂在己，断裂在己糖的糖的C3-C4间。间。 3）三碳糖经一系列的反应（反应）三碳糖经一系列的反应（反应510）生成丙）生成丙酮酸，其中反酮酸，其中反6生成生成NADH+H+，并生成高能磷，并生成高能磷酸化合物（酸化合物（1,3-二磷酸甘油酸）；反应二磷酸甘油酸）；反应7生成生成ATP（底物水平磷酸化）；反应（底物水平磷酸化）；反应10底物水平磷底物水平磷酸化生成酸化生成ATP。 酵解可分为两个阶段酵解可分为两个阶段六碳葡萄糖分解为六碳葡萄糖分解为2分子三碳丙酮酸经分子三碳丙酮
8、酸经10步步反应，前反应，前5步反应为准备阶段，步反应为准备阶段，1Glc转变为转变为2三三碳物：磷酸二羟丙酮和碳物：磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛（即为裂磷酸甘油醛（即为裂解）（两者为异构体，可互变），消耗解）（两者为异构体，可互变），消耗2ATP。第二阶段是酵解的能量获得阶段（第二阶段是酵解的能量获得阶段（payoff phase)，3-磷酸甘油醛转变为丙酮酸，生成磷酸甘油醛转变为丙酮酸，生成4ATP（底物水平磷酸化）和（底物水平磷酸化）和2NADH。过程中有三个化学转化需特别提出的：葡过程中有三个化学转化需特别提出的：葡萄糖的碳架分解产生丙酮酸、磷酸化萄糖的碳架分解产生丙酮酸、磷酸化ADP
9、产生产生ATP、产生的氢离子和电子载体、产生的氢离子和电子载体NAD+生成生成NADH。丙酮酸的代谢命运决定于细胞类型和。丙酮酸的代谢命运决定于细胞类型和代谢环境。代谢环境。糖酵解的两个阶段糖酵解的两个阶段2分子分子3-磷酸甘油醛生磷酸甘油醛生成（第一阶段）成（第一阶段）丙酮酸是酵解的终产物丙酮酸是酵解的终产物（第二阶段）（第二阶段）丙酮酸的代谢命运丙酮酸的代谢命运1）无氧条件下，丙酮酸转变为乳酸。）无氧条件下，丙酮酸转变为乳酸。2）无氧条件下，丙酮酸转变为乙醛，进）无氧条件下，丙酮酸转变为乙醛，进而生成乙醇。而生成乙醇。3）有氧条件下，丙酮酸氧化脱羧生成乙）有氧条件下，丙酮酸氧化脱羧生成乙酰
10、酰-CoA，进入三羧酸循环，氧化供能，进入三羧酸循环，氧化供能（乙酰（乙酰-CoA在能量状态高的情况下可用在能量状态高的情况下可用于合成脂类物质）。于合成脂类物质）。 4) 丙酮酸作为其他物质合成的前体（如丙酮酸作为其他物质合成的前体（如Ala）。）。 酵解产生的丙酮酸的三酵解产生的丙酮酸的三个可能的分解代谢命运个可能的分解代谢命运酵解途径酵解途径EMP反应总表反应总表EMP的说明的说明1）己糖激酶）己糖激酶(hexokinase) 需要需要Mg2+或其他二价阳离子或其他二价阳离子及及ATP供能，反应不可逆，是酵解过程的第一个调节供能，反应不可逆，是酵解过程的第一个调节（别构）酶，肌肉中受产物
11、（别构）酶，肌肉中受产物G-6-P强烈别构抑制。肝脏强烈别构抑制。肝脏中主要是以中主要是以glucokinase存在，对存在，对Glc有特异活性，不受有特异活性，不受G-6-P的抑制。的抑制。2）果糖磷酸激酶（）果糖磷酸激酶（phosphofructokinase），需要），需要Mg2+及及ATP，是酵解途径的关键反应，是酵解途径的关键反应(committed step, key reaction, rate-limiting reaction)酶，酵解进行的速度取酶，酵解进行的速度取决于该酶的活性，酶的调节也是别构调节，决于该酶的活性，酶的调节也是别构调节，ATP对其对其有抑制效应，柠檬酸及
12、脂肪酸的存在会加强有抑制效应，柠檬酸及脂肪酸的存在会加强ATP的抑的抑制作用，制作用，AMP、ADP及及Pi可消除抑制。可消除抑制。己糖激酶和磷酸果糖己糖激酶和磷酸果糖激酶激酶EMP的说明（续）的说明（续）3）3-P-甘油醛甘油醛dHE(phosphoglyceraldehyde dHE) 活性活性中心在酶的中心在酶的Cys-SH上，上，NAD+与酶紧密结合，受氢还与酶紧密结合，受氢还原后与酶脱离，磷酸攻击硫酯键生成原后与酶脱离，磷酸攻击硫酯键生成1，3-二磷酸甘油二磷酸甘油酸。只有酸。只有NAD+不断取代不断取代NADH才能保持酶的催化活力，才能保持酶的催化活力，否则酵解就要停止。否则酵解就
13、要停止。ICH2COOH与与-SH反应，可强烈反应，可强烈抑制酶的活性。抑制酶的活性。 4）烯醇（化）酶（）烯醇（化）酶（enolase） 有有Mg2+或或Mn2+存在时，存在时，酶才有活性，酶才有活性，F-能与能与Mg2+形成络合物并结合在酶上而形成络合物并结合在酶上而抑制酶的活性。抑制酶的活性。 5）丙酮酸激酶（）丙酮酸激酶（pyruvate kinase）别构调节酶，需要）别构调节酶，需要Mg2+，K+，催化的反应有，催化的反应有ATP生成，是酵解途径的重生成，是酵解途径的重要调节酶，长链脂肪酸、乙酰要调节酶，长链脂肪酸、乙酰CoA、ATP、Ala等均抑等均抑制酶活；制酶活；F-1,6-
14、diP可活化此酶。可活化此酶。6）整个酵解途径的反应）整个酵解途径的反应1、3、10为严格不可逆。为严格不可逆。3-磷酸甘油醛氧化生成磷酸甘油醛氧化生成1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸3-P-甘油醛脱氢酶甘油醛脱氢酶碘乙酸是碘乙酸是3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶的抑制剂的抑制剂碘乙酸与脱氢酶活性位点的碘乙酸与脱氢酶活性位点的-SH共价结合，共价结合，使酶失活。使酶失活。底物水平磷酸化底物水平磷酸化底物氧化、分子内基团重排等所释放的能底物氧化、分子内基团重排等所释放的能量偶联量偶联ATP的生成，涉及可溶性的酶和代的生成，涉及可溶性的酶和代谢中间物，不涉及膜结合的酶、跨膜质子谢中间物，不涉及
15、膜结合的酶、跨膜质子梯度和电子传递。梯度和电子传递。丙酮酸激酶催化丙酮酸激酶催化PEP生成丙酮酸生成丙酮酸也是底物水平磷酸化也是底物水平磷酸化EMP途径总图途径总图EMP途径中间物浓度途径中间物浓度EMP的能量消耗与生成的能量消耗与生成NADH+H+的命运的命运无氧条件下无氧条件下: 通过乙醇发酵受氢，解决重氧化通过乙醇发酵受氢，解决重氧化 通过乳酸发酵受氢，解决重氧化通过乳酸发酵受氢，解决重氧化有氧条件下有氧条件下: 通过呼吸链递氢，最终生成通过呼吸链递氢，最终生成H2O,并并生成生成ATP。 丙酮酸的生成丙酮酸的生成乙醇生成乙醇生成(发酵发酵)乳酸生成乳酸生成(发酵发酵)甘油生成甘油生成(
16、发酵发酵) DHAP+ NADH+H+3-P-甘油甘油+NAD+ 甘油甘油 利用酵母制造甘油利用酵母制造甘油1） 培养基中添加培养基中添加NaHSO3NaHSO3+CH3CHOCH3CH(OH)OSO2Na2） 将发酵液调至碱性，乙醛在碱性条件下将发酵液调至碱性，乙醛在碱性条件下发生歧化反应发生歧化反应2CH3CHO+NaOHCH3COONa+CH3CH2OHEMP总结总结 1) 无氧条件下，无氧条件下，Glc分解为乙醇或乳酸，为无分解为乙醇或乳酸，为无氧分解氧分解 2). 酵母等，酵母等，Glc2 ethanol+2CO2 肌肉等，肌肉等，Glc2 lactate 3). 虽无虽无O2参与，
17、但有脱氢反应，参与，但有脱氢反应，H的受体为的受体为NAD+，细胞内，细胞内NAD少，必需解决少，必需解决NADH的重的重氧化。氧化。 4). 两种发酵均净生成两种发酵均净生成2ATP，且均为底物水平，且均为底物水平磷酸化。磷酸化。 5). 某些反应需要辅酶或辅助因子，如某些反应需要辅酶或辅助因子，如NAD+, TPP, Mg2+, K+等。等。丙酮酸激酶的调节作用丙酮酸激酶的调节作用F-6-P对果糖磷酸激酶的变构对果糖磷酸激酶的变构调节作用调节作用磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶-1的活力的活力大肠杆菌大肠杆菌PFK四亚基四亚基中的两个中的两个果糖果糖1,6-二磷二磷酸酸ADPF-6-P对果糖磷酸激
18、酶的变构调对果糖磷酸激酶的变构调节作用（续）节作用（续）抑制抑制激活激活F-6-P和和ATP对对EMP的调节作用的调节作用F-6-P对磷酸化和去磷酸化的作用对磷酸化和去磷酸化的作用葡萄糖异生跨越了酵解磷酸果葡萄糖异生跨越了酵解磷酸果糖激酶糖激酶1催化的不可逆反应催化的不可逆反应果糖果糖-1，6-二磷酸酯酶二磷酸酯酶1果糖磷酸激酶果糖磷酸激酶1其它单糖进入其它单糖进入EMP1）D-Fructose A. 通过通过hexokinase转变为转变为F-6-P进入进入EMP，但酶对但酶对Glc的亲和力大于对的亲和力大于对Fru的的12倍，肝中几倍，肝中几乎不发生这种反应，而脂肪组织中乎不发生这种反应，
19、而脂肪组织中Fru Glc，可走这一途径。可走这一途径。 B. 肝脏中，肝脏中，Fructokinase催化催化Fru生成生成F-1-P，再由，再由F-1-P aldolase催化裂解为催化裂解为DHAP和甘和甘油醛，甘油醛激酶催化甘油醛生成油醛，甘油醛激酶催化甘油醛生成3-P-G(消耗消耗1ATP)进入进入EMP。果糖进入果糖进入EMP肝肝 脏脏肌肉和肾中，己糖激酶催化肌肉和肾中，己糖激酶催化Fru+ATPF-6-P，直接进入酵解，直接进入酵解3-P-甘油醛甘油醛其它单糖进入其它单糖进入EMP（续）（续）2）D-Galactose 由由galactokinase催化生成催化生成1-P-Gal
20、，再由鸟，再由鸟苷酰转移酶催化与苷酰转移酶催化与UDPG反应生成反应生成Glc-1-P和和UDPGal(由差向异构酶催化变为由差向异构酶催化变为UDPG，完成，完成再生再生)，而，而G-1-P经变位酶催化变成经变位酶催化变成G-6-P进入进入EMP。3）D-Mantose 由由hexokinase催化生成催化生成M-6-P，再经异构酶，再经异构酶催化转变为催化转变为F-6-P进入进入EMP。半乳糖进入半乳糖进入EMPGalATP，Mg2+半乳糖激酶半乳糖激酶UDPG-Gal-1-P鸟鸟苷酰转移酶苷酰转移酶缺乏时，半乳糖血症缺乏时，半乳糖血症缺乏时，半乳糖血症缺乏时，半乳糖血症半乳糖进入半乳糖进入EMP其他单糖进入其他单糖进入EMP
