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1、酵解和柠檬酸循环姜健勤摘要 糖酵解和柠檬酸循环，在能量代谢中起着主要的作用，产生的能量最多。 关键字 糖酵解 柠檬酸循环集体的生存能量，机体内主要提供能量的物质是 ATP，ATP 的形成主要有三 条途径氧化磷酸化、底物水平磷酸化、光合作用磷酸化。在无氧条件下，葡萄糖进行分解，行成两分子丙酮酸并提供能量，这一过程 称为糖酵解作用。在糖酵解途径中葡萄糖转化为丙酮酸。丙酮酸有三条主要 的去路：一、丙酮酸经氧化脱羧形成乙酰COA，乙酰COA进入柠檬酸循环， 二、在某些微生物中，丙酮酸可转化为乙醇（酒精发酵过程），三、在某些 环境条件下（如缺氧），可逆的还原为乳酸。柠檬酸循环是一个可以将乙酰COA中的乙
2、酰成分完全氧化为CO2和H2O的途 径，又称三羧酸循环。柠檬酸循环在细胞线粒体中进行。1、糖酵解过程1.1 从历史等纪元开始，人们就已经会用酵母菌将葡萄糖发酵成乙醇，但对发酵 的研究却只是在 19 世纪后半叶才开始。对于发酵的解释， 1854-1864 期间， Louis Poster 的观点占统治地位。1897 年， Hans Butcher 和 Edward 兄弟，开始制作不含有细胞的酵母浸出液 拟供药用。1950年Harden A和Young W J两个分离得到了果糖一1,6二磷酸。在19 世纪20 年代，贡献最显著的是 Gustar Enbden.在19 世纪40 年代，糖酵解的各个步
3、骤已经很清楚了。1.2 糖酵解是葡萄糖转化为丙酮酸的一系列反应。糖酵解过程的生物学意义在 于，它是在不需要氧供应的条件下产生的 ATP 一种功能方式。 糖酵解途径涉及十个酶促催化反应，途径中酶都位于细胞质中。糖酵解过程 中产生的所有中间产物都是以磷酸化合物的形式来实现的。中间产物磷酸化 有三个主要意义： 1.带电荷的磷酸基团使中间产物带有极性从而不易透过脂 膜而失散；2.磷酸基团在各部反应中，对酶来说起到信号作用；3.磷酸基团 经糖酵解作用后，最终形成 ATP 的末端磷酸基团，因此具有保存能量的作用。糖酵解共包括十步反应，前 5 步为准备阶段幕后 5 步为储能阶段。1.3 糖酵解的第一阶段准备
4、阶段1.3.1 己躺激酶催化葡萄糖磷酸形成葡萄糖-6 磷酸，消耗一个 ATP糖酵解的第一步反应是葡萄糖的 C-6 磷酸化形成葡萄糖-6 磷酸，这一磷酰基 团转移反应是由己糖激酶催化的。该反应是不可逆反应。激酶催化磷酰基团 转移反应，在酵解途径中存在着四个激酶催化的反应，它们分别是（1）（3） （7）（10）反应。磷酸化的葡萄糖被限制在细胞内。己糖激酶以六碳糖为底物，专一性不强。1.3.2 葡萄糖-6-磷酸异构酶催化葡萄糖-6 磷酸转化为果糖-6-磷酸在酵解的第二步反应中，葡萄糖-6-磷酸异构酶催化葡萄糖-6-磷酸转化为果 糖-6-磷酸。这是一个醛糖-酮糖同分异构化反应，反应是可逆的。葡萄糖-6
5、- 磷酸异构酶表现出绝对的立体专一性。1.3.3 果糖-6 磷酸形成果糖-1.6 二磷酸，消耗二个 ATP 分子 该步是糖酵解或酒精发酵过程中的第二个磷酸化反应。磷酸果糖激酶 -I（PFK-I）催化ATP中的磷酸基团转移到果糖-6-磷酸的C-1的羟基上，生成 果糖-1.6-二磷酸。PFK-I催化的反应是不可逆的，是大多数细胞酵解中主要 的调节步骤。1.3.4 醛缩酶催化果糖-1.6-二磷酸裂解生成甘油醛-3-磷酸和磷酸二羟丙酮 这是一个有六碳糖果糖 -1.6-二磷酸裂解为两个三碳糖的反应过程糖酵解 前三步反应生成的果糖-1.6-二磷酸在醛缩酶的作用下，使 C-3 和 C-4 之间的 键断裂，生
6、成甘油醛-3 磷酸和磷酸二羟丙酮。1.3.5 丙糖磷酸异构酶催化甘油醛-3-磷酸和二羟丙酮的相互转化果糖-1.6-二磷酸裂解形成甘油醛-3-磷酸磷酸二羟丙酮，只有甘油醛-3-磷酸 是酵解下一步反应的底物，所以磷酸二羟丙酮需要在丙糖磷酸异构酶的催化 下转化为甘油醛-3-磷酸，才能进行酵解。丙糖磷酸异构酶的催化是及其迅速的，任何加速丙糖磷酸异构酶催化效率的 措施都不能提高它的反应速度。1.4 糖酵解的第二个阶段储能阶段1.4.1 甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化甘油醛-3-磷酸氧化为甘油醛-1.3-二磷酸甘油醛 -3-磷酸的氧化和磷酸化是在甘油醛 -3-磷酸脱氢酶的催化下，在有NAD+和H3P04的存在
7、下，生成甘油醛-1.3-二磷酸甘油醛。这是酵解中唯一的 一步氧化反应这是由一个酶催化的脱氢和磷酸化的相关反应。反应中一份子 NAD+被还原成NADH，同时在甘油酸-1.3-二磷酸中形成一个高能磷酸键。1.4.2 磷酸甘油酸激酶催化 1.3-二磷酸甘油酸转变成 3-磷酸甘油酸，同时生成 ATP1.3-二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的作用下，将高能磷酰基从富含能量的 酸酐1.3-二磷酸甘油酸转给ADP的反应，反应是可逆的。1.4.3磷酸甘油酸变位酶cuihua3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸 通常将催化分子内化学基团移位的酶称为变位酶，磷酸甘油酸变位酶的活性 部位结有一个磷酸基团。1.4.4稀醇化
8、酶催化2-磷酸甘油酸变成烯醇式丙酮酸在烯醇化酶催化下，从2-磷酸甘油酸的a , P位脱去水形成磷酸烯醇式丙酮 酸。反应是可逆的。磷酸烯醇式丙酮酸具有很高的磷酰基转移潜能。因为它 的磷酰基是以一种不稳定的烯醇式互变异构式存在的。烯醇化酶在与底物结合前先于二价阳离子Mg2+或Mn2+结合形成一个复合物， 才有活性，氧化物是该酶强烈的抑制剂。1.4.5丙酮酸激酶催化磷酰基从磷酸烯醇式丙酮酸转移该ADP，生成丙酮酸合ATP 这是酵解中第二个底物水平磷酸化反应，反应由丙酮酸激酶催化的，当磷酰 基从磷酸烯醇式丙酮酸转移到ADP的0 -磷酸基团上时，形成ATP合烯醇式丙 酮酸，反应时不可逆的。丙酮酸时酵解中
9、的一个不再被磷酸化的化合物。1.5酵母在厌氧条件下可将丙酮酸转华为乙醇酵解过程，葡萄糖转换成丙酮酸，不仅产生ATP，同时在甘油醛-3-磷酸脱氢 酶催化的反应中还使氧化性的NAD+还原为NADH。如果生成的NADH不能及时 地被氧化成NAD+，所有的氧化型的NAD+将全部以还原型的NADH积累，酵解 过程将终止。在厌氧状态下，酵母细胞甘油酸 -3-磷酸脱氢酶催化的反应中还使氧化型的NAD+还原为NADH。如果生成的NADH不能及时的被氧化成NAD+，所有的氧化型的NAD+将全部以还原型的NADH积累，酵解过程将终止。在厌氧状态下，酵母细胞将丙酮酸转化为乙醇和CO2，同时NADH被氧化为 NAD+
10、。这一过程涉及两个反应，首先在丙酮酸脱羧酶的作用下，丙酮酸脱羧 生成乙醛，然后，乙醛在醇脱氢酶催化下，还原为乙醇的同时，NADH被还原 为 NAD+.1.6 酵解途径中存在三个主要的调控酶 酵解途径中的三个主要调控酶为己糖激酶，硫酸果糖激酶和丙酮酸激酶。1.6.1 糖酵解作用的调节由于己糖激酶对葡萄糖有很低的 Km 值，竞争性抑制使不会有结果的，所以葡 萄糖-6-硫酸抑制使非竞争性抑制。己糖激酶是一种调控酶，它催化的反应的产物葡萄糖-6磷酸和ADP能使该酶 受到变构抑制。1.6.2磷酸果糖激酶(PFK-1 )是关键酶磷酸果糖激酶使哺乳动物糖酵解途径的主要调控酶，该酶受到高浓度ATP的 抑制，
11、ATP 既是底物又是调节剂。高的 ATP 浓度使酶与底物果糖-6-磷酸的结 合曲线从双曲线变成 S 形。在哺乳动物细胞中， ADP 使别构激活剂。柠檬酸 使 PFK-1 的另一个主要的抑制剂，柠檬酸对 PFK-1 的调节是一种反馈抑制。1.6.3果糖-2， 6-二磷酸对酵解的调节作用果糖-2， 6-二磷酸使新发现的一个变构激活剂，它控制磷酸果糖激酶的构象 转换。1.6.4 丙酮酸激酶的调节丙酮酸激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸生成 ATP 和丙酮酸。果糖-1， 6-二磷酸对 磷酸果糖激酶的激活作用，使反应顺利的往下一步进行。当贮能足够时， ATP 对丙酮酸激酶的变构抑制效应使酵解过程减慢。丙酮酸对丙酮
12、酸激酶的变构抑制效应，也使酵解过程减慢。2. 柠檬酸循环 在生物系统内，能量不是通过燃烧，而是通过有控制的呼吸系统从分子中释 放出来的。而且释放出来的大部分能量都被贮藏起来。柠檬酸循环中释放的 能量主要被保存在还原型的辅酶NAD和辅酶Q (QH2)中。柠檬酸循环既是分解代谢途径，又是合成代谢途径。柠檬酸循环中的酶发布 在原核的细胞质和真核生物的线粒体中。2.1 丙酮酸脱氢酶复合物催化丙酮酸脱羧形成乙酰 COA无论是在原核生物，还是在真核生物中，丙酮酸转化为乙酰COA和CO2，都 由一些酶和辅酶构成的丙酮酸脱氢酶复合物催化的，总反应为丙酮酸+COA+NAD+二乙酰 C0A+C02+NADH+H+
13、丙酮酸脱氢酶复合物使个有组织的多酶集合体，丙酮酸脱氢酶复合物位于线 粒体膜上，使由丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酰胺乙酰转移酶和二氢硫辛酰胺脱 氢酶三种酶，以及TPP、COASH、硫辛酸、FAD、NAD+和Mg+六种辅助因子组成 的。2.2 柠檬酸循环的反应机制柠檬酸循环中释放的大部分能量是以还原型的NADH和FADH2形式被有效的 贮存着。2.2.1柠檬酸合酶催化乙酰COA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸 这是柠檬酸循环的第一个反应，乙酰 COA 和草酰乙酸缩合形成柠檬酸和 COASH，反应使由柠檬酸合酶催化的。该反应使柠檬酸循环中唯一一步形成 C-C 键的反应。2.2.2 顺乌头酸酶催化前手性分子柠檬酸转
14、化成手性分子异柠檬酸 柠檬酸是三级醇，不能被氧化酮酸，顺乌头酸把柠檬酸转化为可氧化的二级 醇异柠檬酸。顺乌头酸含有一个共价结合的铁-硫辅基，参与底物的脱水和再水合作用，与 Fe-S 聚簇结合的蛋白质称为铁-硫蛋白，或称为非血红素蛋白。2.2.3异柠檬酸脱氢酶催化异柠檬酸氧化生成a -酮戊二酸和CO2 该步反应使柠檬酸循环中第一个氧化还原反应是由异柠檬酸脱氢酶催化的。 NAD+作为，酶的辅酶。2.2.4a -酮戊二酸脱氢酶复合物催化a -酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酸COAa -酮戊二酸使一个酮酸，该反应为柠檬酸循环的的第二步氧化还原反应。需 要NAD+和COA作为辅助因子。a -酮戊二酸氧化释放的
15、能量有三方面作用：（1）驱使NAD+还原、（2）促使 反应向氧化方向进行并大量释放能量、(3)相当的能量异琥珀酸的高能硫酯 键形式保存起来。2.2.5 琥珀酸 COA 合成酶催化底物水平磷酸化琥珀酸COA合成酶催化琥珀酸COA转化为琥珀酸，琥珀酸-COA硫酯键使一个 高能键。该反应在哺乳动物形成一分子GTP，在植物和微生物直接形成ATP/ GTP在生物合成中有其特殊的作用，是磷酰基的提供体，信号结合蛋白与GTP 结合时被激活。因此GTP有信号传递作用。2.2.6 琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸 该步反应使柠檬酸循环中第三步氧化还原反应，带有辅基 FAD 的琥珀酸脱氢 酶催化琥珀酸脱氢生
16、成延胡索酸。同时，使FAD还原为FADH2,生成的FADH2 再被辅酶Q氧化生成FAD而辅酶Q还原为还原型辅酶Q(QH2),QH2被释放到线 粒体的基质中。琥珀酸脱氢酶与 FAD 的关系是以共价键相互连接。底物类似物丙二酸使琥珀 酸脱氢酶的竞争性抑制剂。2.2.7延胡索酸酶催化延胡索酸水化生成L-苹果酸 催化延胡索酸水合形成苹果酸的酶，称为延胡索酸酶，该酶的催化具有严格 的立体专一性。2.2.8 苹果酸脱氢酶催化苹果酸氧化重新形成草酰乙酸该步使柠檬酸循环中第四步氧化还原反应。L-苹果酸在以NAD+为辅酶的苹果 酸脱氢酶的催化下氧化生成草酰乙酸，同时NAD+还原成NADH.反应使可逆的。2.3 柠檬酸循环的调控2.3.1 丙酮酸脱氢酶复合物的调节丙酮酸脱氢酶存在别构
