代谢与生物能.doc

第篇 代谢与生物能第二十二章 糖代谢内容代谢的概念 313糖代谢 31391 糖的酶水解（消化） 31392 糖的中间代谢 314921 糖的合成代谢 3149211 光合作用 3149212 糖原的生物合成 3259213 淀粉的生物合成 3269214 蔗糖的生物合成 3269215 乳糖的生物合成 3269216 葡萄糖的生物合成 326922 糖的分解代谢 3279221 糖原的分解 3279222 葡萄糖的分解 330一、糖酵解作用 330二、丙酮酸的有氧氧化三羧酸循环 335三、丙酮酸的其他代谢途径 344四、乙醛酸循环 346五、戊糖磷酸途径（己糖磷酸支路，HMS） 347六、其他单糖的分解代谢 35093 糖代谢的调节 353931 糖原合成代谢的调节 353932 糖酵解的调节 355933 三羧酸循环的调节 35594 人类及高等动物的糖反常代谢糖尿 356总结性思考题 357提要和学习指导 本章主要内容是代谢概念，自然界糖类的合成和分解途径。对糖代谢的调节和控制以及糖代谢与生物，特别是与人类和动物的关系，也作了必要的阐述。学习本章时应注意：1首先明确代谢的正确涵义和对生命的重要性。2在学习糖的合成和分解具体途径前，应首先对糖类的复杂代谢途径作概括性的了解，使自己对糖类在生物体中的主要代谢途径有一个比较清楚的概念。3在学习糖的合成代谢时，首先要认识到自然界糖类的起源是靠绿色植物的光合作用。弄清楚糖原和淀粉的合成途径及酶类在糖类生物合成反应中的重要性。学习糖类分解代谢时要把糖的酵解和三羧酸循环途径弄清楚，注意各反应过程中能量的产生和消耗。在学了糖酵解和三羧酸循环的正常途径后要联系由糖酵解产生的丙酮酸与工业上的发酵产品（如乙醇、乙酸、丙酮、乳酸等）的关系。4要注意各种糖代谢的调节机制和人同高等动物糖代谢反常时的主要病患。代谢的概念代谢，亦称新陈代谢，其意义有广义和狭义之分。广义的代谢是泛指生物活体与外界不断交换物质的过程，包括从体外吸取养料和物质在体内的变化。狭义的代谢是指物质在细胞中的合成和分解过程，一般称中间代谢。合成代谢是机体的建设方面，而分解代谢则为破坏方面。新旧物质不断互为消长，以维持生物的生命。故代谢过程实为矛盾的统一过程，是生命现象的基本特征。合成代谢一般是将简单物质变成复杂物质，而分解代谢则是将较复杂物质变为简单物质。糖、脂和蛋白质的合成途径各有不同，但它们的分解途径则有共同之点。那就是：糖类、脂类和由氨基酸脱氨后产生的酮酸最后都经三羧酸循环氧化成CO2及水。代谢反应一般为酶促反应，而且受内外环境因素的影响和调节。在代谢过程中常伴随能量的转变。合成代谢一般是吸能反应，分解代谢一般是放能反应。放出的能一部分供合成代谢之用，其余则供机体生活使用或发散为热。糖代谢生物所需的能量，主要由糖的分解代谢所供给，成人每天所需的热能约6070来自糖类。植物能将CO2及水合成糖类，人类和动物则利用植物所造的糖类以供给热能。人类及其他生物要利用糖类作能源，首先须将比较复杂的糖分子经酶解作用（即消化作用）变成单糖后才能被吸收，进行代谢。本章将就糖的酶解、糖的生物合成和分解分别介绍。91 糖的酶水解（消化）糖类中的二糖及多糖在被生物体利用之前必须水解成单糖。生物水解糖类的酶为糖酶。糖酶分多糖酶和糖苷酶两类。多糖酶可水解多糖类，糖苷酶可催化简单糖苷及二糖的水解。多糖酶的种类很多，如淀粉酶、纤维素酶、木聚糖酶、果胶酶等。现以淀粉酶所催化的淀粉（及糖原）的酶水解为代表加以阐述。淀粉（或糖原）的酶水解 水解淀粉和糖原的酶称淀粉酶。淀粉酶有-淀粉酶及-淀粉酶两种。-淀粉酶主要存在于动物体中（如唾液中的唾液酶），-淀粉酶主要存在于植物种子和块根内。它们都能水解淀粉及糖原的-1，4葡萄糖苷键。-淀粉酶可催化淀粉或糖原分子中任何一个部位的-1，4葡萄糖苷键分裂，-淀粉酶则只能催化从淀粉（或糖原）分子的非还原性的一端开始分裂，变成麦芽糖单位。-和-淀粉酶对-1，6葡萄糖苷键皆无作用。水解-1，6葡萄糖苷键的酶为寡糖-1，6葡萄糖苷键酶（存在于小肠液中）。淀粉酶水解淀粉的产物为糊精和麦芽糖的混合物。淀粉糊精麦芽糖二糖的酶水解 二糖酶中最重要的为蔗糖酶、麦芽糖酶和乳糖酶。它们都属于糖苷酶类。这3种酶广泛分布于微生物、人体及动物小肠液中。其催化反应为：人和动物小肠能直接吸收单糖，通过毛细血管进入血循环。各种单糖的吸收率不同（D-半乳糖D-葡萄糖D-果糖D-甘露糖D-木糖阿拉伯糖）。吸收机制不单纯是单糖的扩散。D-半乳糖和D-葡萄糖吸收率之所以特别高，是因为小肠粘膜细胞膜有一种专一性运载蛋白（transport protein）和Na+参加了转运作用。由于Na+与运载蛋白结合使运载蛋白的构象改变，从而适宜于与D-半乳糖和D-葡萄糖结合使其易于通过小肠粘膜细胞膜进入毛细血管。有下列结构的糖才能与运载蛋白结合：2-D-羟基和5-羟甲基或甲基是作为活性运载机制的必需基团。9.2 糖的中间代谢活细胞中的糖代谢，一方面进行糖类的合成，利用各种可能转变为糖的物质合成糖类；绿色植物还可利用CO2，H2O，通过光合作用合成淀粉。另一方面进行糖的分解，通过一系列复杂化学反应产生CO2，H2O及ATP（储能物质），也可转变为脂类（糖是合成脂酸和脂肪的主要物质）、氨基酸、固醇以及其他许多细胞的成分。无论是合成或分解都需要通过糖的磷酸化合物为中间产物，其中葡糖-6-磷酸更重要。这些主要变化途径，可概括表示如图91。921 糖的合成代谢糖的合成代谢主要介绍光合作用和糖原、淀粉、蔗糖和乳糖的生物合成。9211 光合作用（一）概念 自然界的糖类，起源于植物的光合作用。绿色植物的叶绿素能吸收阳光的能进行光化学反应使水活化。活化水放出氧同时还原CO2成简单糖类，简单糖类再合成二糖和多糖。光合作用的总反应可表示如下：此式的正确性业经用含16O的CO2及含18O的水作追踪试验证实。光合作用的详细化学途径，尚不完全清楚，但已有实验证据认为绿色植物的光合作用是由光反应（light reaction）和暗反应（dark reaction）共同组成的。光反应是光能转变为化学能的反应。植物的叶绿素吸收光能进行光化学反应使水分子活化分裂出O2、H+和释出电子并产生NADPH和ATP。暗反应为酶促反应，是由光反应产生的NADPH在ATP供给能量的情况下，使CO2还原成简单糖类的反应。这两类反应在光合作用中的相互关系可简示如图9-2。光合作用的第一个产物，在所谓C3植物（即在光合作用的暗反应中进行三碳循环的植物）中，已证明是甘油酸磷酸。甘油酸磷酸经脱氢酶作用产生磷酸甘油醛。某些C4途径植物（即在暗反应中CO2与丙酮酸磷酸结合产生四碳化合物的植物）如玉米、高粱、甘蔗和某些热带作物等的光合作用的第一产物则为草酰乙酸。后者通过苹果酸脱氢酶可转变为L-苹果酸，或通过转氨酶转变为天冬氨酸。在对绿叶植物的光合作用作了上面的概念介绍之后，现在将对光合作用的作用机制分别作扼要介绍。（二）光合作用的机制 本节将就植物的光反应、暗反应和细菌光合作用分别讨论。1光反应的机制 光反应的作用中心 在进一步讨论光反应的作用机制前，我们需要了解光合作用化学中常用的一个术语即光反应作用中心的涵义。植物的叶绿素各有其不同的状态和理化属性。在与光接触时，数以百计的叶绿素分子都吸收光能并将它们的激发能（excitation energy）转移到一个部位以进行反应。这个反应部位称作用中心或反应中心（图9-3）。作用中心的叶绿素分子是处在特殊环境中，因而有特殊性质，其中之一就是在激发态时能级（energy level）较低，使它们能吸聚能量，推动光合反应。实际上这种特殊形态的叶绿素分子就代表作用中心。例如光合系统的作用中心就是对700nm光有最大吸收的叶绿素a（代号为P700，P代表色素即指叶绿素）。作用中心是光反应的起点。光反应的两种系统 光反应过程是由叶绿体（chloroplasts）的两种光合系统来完成的。许多实验结果发现叶绿体内有光合系统（以PS-代表）和光合系统-（以PS-代表）两种不同的光合系统。光合系统经波长短于680700nm的光线激发能产生一种强还原剂和一种弱氧化剂，前者能导致NADPH的产生。光合系统被光波（680nm激发后能产生一种强氧化剂和一种弱还原剂。强氧化剂能激发水分子裂解放出氧和电子。这种电子是推动暗反应各种化学反应的动力。光合系统产生的弱氧化剂与光合系统产生的弱还原剂的相互作用即产生ATP。这些反应可概示如图9-4。PS的功用 光反应PS的最终产物为NADPH，其过程是PS作用中心（P700）的叶绿素分子被光子（photon）激发转变为激发态（以P700*表示），P700*是强还原剂，能将所得电子通过电子递体（A0，A1）传给铁硫中心（Fe-S）。铁硫中心将电子传给铁氧还蛋白（Fd），后者经铁氧还蛋白-NADP+还原酶（Fp）作用，最后产生NADPH（图9-5）。由铁氧还蛋白到NADPH的反应可表示如下：PS的功用 PSP680是强氧化剂，它先被水光解作用产生的电子e-激发转变为激发态P680*。后者通过脱镁叶绿素（Ph）将电子e-传递给电子受体QA、QB和氢醌（QH2），QH2将电子传给细胞色素复合物（cytochrome complex），细胞色素复合物将电子从QH2传到质体蓝素（plastocyanin代号PC），最后传给PSP700。Ph（pheophytin）代表脱镁叶绿素QA和QB为电子从Ph到质体醌（QH2）的递体QH2还原型质体醌，E0近于0.00Vcytochrome bf complex为cytb、cytf两种细胞色素cytf的E0=+0.36VPC（plastocyanin），质体蓝素，为含铜蛋白，E0=+0.37Vh代表一个光子所含的能量h是Plancks Constant（6.62610-34JS）JS=Joulesecond（焦耳秒）是光子振动场的频率E=1摩尔光子或1个Einstein的能量N=Avogadros number（6.0231023）PS与PS通过电子载体的作用相互连接，电子流即从PS传到PS重新产生P700（PS作用中心），同时起光合磷酸化产生ATP（ADP+PiATP）。这一系列反应可表示如图9-6。这一磷酸化称非循环式光合磷酸化。ATP除在PS到PS的电子流中经光合磷酸化产生外，还可在PS的循环电子流中产生，其反应过程是：当PS的作用中心P700受光激发即变成激发态P700*，激发态P700*射出的高氧化还原电位电子经电子递体A0、A1依次传递给铁氧还蛋白Fd（ferredoxin）、细胞色素cyt bf及PC回流到PSP700，在电子流经过cyt bf复合物系统时，ADP即被磷酸化而产生ATP，这次的磷酸化称循环式光合磷酸化（图9-7）。PS不参加PS的循环磷酸化反应，也不产生NADPH。以上所述，可见光反应即是光能转变为化学能的反应，也就是通过叶绿素利用日光能产生ATP和NADPH的反应。在此必须指出：照热力学原理，电子的传递必须由低氧化还原电位（E0）物质向高氧化还原电位物质传递，但图9-5和图9-6所示的电子流都是由高E0物质传到低E0物质，显然不符合热力学原理。为什么竟能发生这种现象呢？这是因为P700与P680被光子激发后，其电子分布发生了改变，在PS（P680）情况下（图9-6）、H2O和QH2的标准氧化还原电势（E0）分别为0.82及0.1V（H2O的E0为0.82V，QH2的E0为0.1V）。两者的电位差为0.72V。电子之所以能由高E0向低E0流动，是因PS吸收光能使光照下每1电子具有1.82电子伏（eV）的能量，这种能量远远超过了由电位差0.72V对电子流可能产生的阻力，故光反应的电子流能从高E0向低E0物质传递。2暗反应的机制 暗反应是CO2还原成糖的过程，是由光反应产生的NADPH和ATP参加的酶促反应，因为不需光，所以称暗反应。暗反应中CO2被还原的途径，大多数植物还原CO2的第一个产物是三碳化合物（甘油酸磷酸），因而称这种途径为C3-途径。C3-途径的植物称C3-植物或三碳植物。有些植物如甘蔗、玉米、高粱等高产作物还原CO2的第一个产物是四碳化合物（草酰乙酸）故称之为C4-途径。这类植物称C4-植物或四碳植物。由于这两种途径都是循环反应，故分别称之为三碳循环和四碳循环。C3-途径 三碳循环反应是Calvin的实验室首先提出的，故又称Calvin循环。三碳循环途径可分为下列3个阶段：（1）核酮糖-1，5-二磷酸+CO2甘油酸-3-磷酸（2）甘油酸-3-磷酸甘油醛-3-磷酸果糖-6-磷酸（3）果糖-6-磷酸核酮糖-5-磷酸核酮糖-1，5-二磷酸总的来说，三碳循环途径反应，首先是核酮糖-1，5-二磷酸在核酮糖二磷酸羧化酶催化下与CO2结合，产生甘油酸-3-磷酸（C3），后者经磷酸化和脱氢两步反应产生甘油醛-3-磷酸。甘油醛-3-磷酸分别经两条途径（如图9-8中，表示的途径）回到核酮糖-5-磷酸，然后两条途径合并经磷酸化转变为核酮糖-1，5-二磷酸，继续进行CO2固定、还原等一系列反应使循环重复进行。C3途径循环反应可简示如图9-8。参加图9-8各反应的酶为：1核酮糖二磷酸羧化酶 5醛缩酶（aldolase）2甘油酸磷酸激酶 6果糖-1，6-二磷酸酯酶3甘油醛-3-磷酸脱氢酶 7异构酶和磷酸酯酶4丙糖磷酸异构酶 8核酮糖磷酸激酶由甘油醛-3-磷酸及果糖-6-磷酸到核酮糖-5-磷酸的反应（即图9-8中虚线表示的部分）相当复杂，它牵涉到二羟丙酮磷酸（C3）、赤藓糖磷酸（C4）、景天庚酮糖磷酸（C7）、核糖-5-磷酸（C5）和木酮糖-5-磷酸等糖类，初学者不易弄清楚。为使读者对这一阶段的复杂反应有较明确的概念，现将有关反应依次简示如下各式和图9-9。图9-9解：1果糖-6-磷酸+甘油醛-3-磷酸木酮糖-5-磷酸+赤藓糖-4-磷酸参加C3循环的各种酶存在于叶片的维管束鞘叶绿体中。光合作用中由CO2到己糖（例如葡萄糖）的总反应可表示如下式（参阅表9-1）。6CO2+18ATP+12NADPH+12H+12H2O果糖-6-磷酸+18ADP+12NADP+17H3PO4这式表明光合作用中每摩尔CO2还原成己糖需要3摩尔ATP和2摩尔NADPH。C4-途径 有些高光效应率植物（即光呼吸很低的植物）如甘蔗、玉米、高粱等高产作物另具有一种特殊的CO2同化途径与C3-途径相辅而行。C4-途径与C3-途径不同，它是以烯醇丙酮酸磷酸（代号PEP）为CO2受体，而不是以核酮糖-1，5-二磷酸为CO2的受体。PEP经羧化酶催化与CO2结合成草酰乙酸，后者在不同植物体中可转变为L-苹果酸或天冬氨酸。具C4-途径的C4-植物其叶片结构有叶肉细胞（mesophyll cell）和维管束鞘细胞（boundle sheath cell）。叶肉细胞中含苹果酸脱氢酶浓度高的植物能将草酷乙酸转变为L-苹果酸，含丙氨酸及天冬氨酸转氨酶浓度高的植物能将草酰乙酸转变为天冬氨酸。苹果酸与天冬氨酸都可作为CO2载体进入维管束鞘细胞。故凡能利用L-苹果酸作CO2载体的植物，其维管束鞘叶绿体内的NADP+-专一性苹果酸酶（NADP+-specific malic enzyme）的浓度都较高，能将L-苹果酸转变为丙酮酸及CO2。苹果酸+NADP+丙酮酸+NADPH+H+CO2能利用天冬氨酸为CO2载体的植物，其维管束鞘细胞含有转氨酶，能将天冬氨酸转变为草酰乙酸：有些植物能将草酰乙酸进一步转变为苹果酸，将苹果酸再进一步再转变为丙酮酸和CO2；另有少数植物的维管束鞘细胞含有PEP羧激酶（PEP-carboxy kinase），能将草酰乙酸转变为PEP和CO2。在维管束鞘细胞中产生的CO2和丙酮酸都可进入叶肉细胞供C3循环之用。而叶肉细胞内的丙酮酸则经丙酮酸-磷酸二激酶（pyruvate-phospho-dikinase）的催化产生PEP供C4-途径作固定CO2之用。C4-途径（或C4-循环）的各反应可简示如图9-10。3细菌的光合作用细菌光合作用与植物光合作用的不同点是：细菌光合作用中CO2的还原剂不是水光解所放出的H+，而是其他还原剂如H2S和Na2S2O3等。紫硫菌（如chromatium）即用H2S或Na2S2O3代替水作光合反应的还原剂。后一反应说明在光合作用中还原CO2的还原剂不一定要含氢元素，只要能供给电子的化合物即可。非硫紫菌（如Rhodospirillum rubrtm）则利用有机化合物如乙醇、异丙醇或琥珀酸作电子供体以还原CO2。还原CO2所需的4个电子由两摩尔乙醇氧化成乙醛的反应供给。9212 糖原的生物合成 葡萄糖为合成糖原的唯一原料，半乳糖和果糖都要通过磷酸葡萄糖才能变为糖原。在糖原的合成过程中需己糖激酶、葡糖磷酸变位酶、尿苷二磷酸葡糖（以下简称UDPG）焦磷酸化酶、糖原合成酶、分支酶及ATP参加作用。其过程可表示如下（图9-11）：图9-11注：己糠激酶（hexokinase）是催化己糖转变为己糖磷酸的酶，例如葡糖激酶。葡糖磷酸变位酶（phosphoglucomutase）是使分子内部基团，特别是磷酸基团转移位置的酶。磷酸化酶是催化底物磷酸化的酶。可使多糖（如淀粉或糖原）起磷酸解而形成单糖磷酸，或使单糖磷酸结合成多糖。葡糖激酶是磷酸化酶的一种，它的作用需要ATP存在。糖原合成酶，即UDPG-糖原葡糖基转移酶（UDPG-glycogen glucosyl transferase）。分支酶，即-1，4-葡聚糖：-1，4-葡聚糖-6-葡糖基转移酶（1，4-glucan：-1，4-glucan6-glucosyltransferase）。又称-葡聚糖分支葡糖基转移酶（ glucan branching glycosyl transferase）。UDPG中的葡萄糖甚活泼，容易形成糖苷键，在有小分子糖原作为引物（R）时，通过糖原合成酶的催化，UDPG中的葡萄糖即以1，4糖苷键与小分子糖原连接增长糖原的分子链。分支酶再将新形成的葡聚糖链的部分-1，4糖苷键变成-1，6-糖苷键形成糖原的支链。合成糖苷键所需的能，直接由UTP供给，UTP的再合成则由ATP供应高能磷酸键，反应的逆反应需要磷酸酯酶（phosphatase）参加。磷酸酯酶是催化水解磷酸酯键的酶，如催化葡糖-6-磷酸水解成葡萄糖和磷酸的酶。、两反应的逆反应需要磷酸化酶（phosphorylase）才能完成。果糖、半乳糖、甘露糖亦可转变为糖原，不过不是主要的来源。非糖物质如乳酸、丙酮酸、丙酸、甘油及部分氨基酸亦皆可在肝脏和肾脏皮质中变成糖原。由非糖物质转变为糖原的作用称糖原异生作用（glyconeogenesis）。动物肝脏合成糖原，一部分即利用糖原异生作用，肌肉则只能利用血葡萄糖合成肌糖原糖异生作用的过程将详9216。胰岛素可促进糖原的生成，而肾上腺素和致糖尿激素（如ACTH及生长激素）则抑制之，而且可促进糖原的分解。9213 淀粉的生物合成 植物体合成淀粉的机制基本上与糖原的生物合成相似。不过植物合成淀粉的酶类与动物显然有所不同。植物含有多种可合成淀粉的-1，4-糖苷键的酶，其中主要的为淀粉磷酸化酶。形成-1，6-糖苷键的酶为Q酶，可使淀粉的部分-1，4-苷键变为-1，6-苷键，形成支链淀粉。在形成淀粉过程中仍然有UDPG参加作用。在细菌（如大肠杆菌）体中有一种淀粉麦芽糖酶能催化麦芽糖生成直链淀粉。9214 蔗糖的生物合成 葡糖-1-磷酸经蔗糖磷酸化酶作用可与果糖结合成蔗糖。9215 乳糖的生物合成 乳糖的生物合成与糖原的生物合成相似，有UTP参加，其合成过程如下：从牛奶中分离出乳糖合成酶能催化UDP-半乳糖与葡萄糖结合成乳糖，证明上述反应过程是正确的。9216 葡萄糖的生物合成 通过糖异生作用和己糖互变可合成葡萄糖。由糖异生作用合成葡萄糖 在前面讲糖原合成时已提到乳酸、丙酮酸、甘油以及生糖氨基酸都可以在动物体内转变为葡萄糖，葡萄糖可变为糖原，也可转变为其他己糖。由非糖物质转变为葡萄糖的途径是由丙酮酸开始，经一系列反应通过草酰乙酸形成葡萄糖（图9-12）。第1、2、8和104种酶是葡萄糖异生作用的关键酶。糖异生作用的调节都是通过调节这4种酶所催化的反应来完成。必须指出：1乙酰CoA能促进丙酮酸羧化酶的活性，凡可转变为乙酰CoA的脂酸代谢产物都能促进糖异生作用。2胰高血糖素和肾上腺素都可促进丙酮酸羧化酶的活性，因而亦能促进糖异生作用。这两种激素能激活肝细胞膜上的腺苷酸环化酶，使cAMP升高，后者可增高丙酮酸羧化酶的活性，从而增进糖异生作用。这两种激素还可促进脂肪分解产生乙酰CoA和甘油，从而促进糖的异生作用。胰岛素的作用与肾上腺素和胰高血糖素相反，可使糖异生作用降低。3AMP是果糖二磷酸酯酶的抑制剂，可降低糖异生作用。4代谢性酸中毒可促进烯醇丙酮酸磷酸羧激酶的合成，从而增进糖异生作用。糖异生作用主要在肝脏内进行，小部分在肾脏皮质中进行。脑、骨骼肌或心肌中的糖异生作用极少。糖异生作用是在饥饿或急需葡萄糖的情况下才产生的，其功用是保证血糖浓度的相对恒定。通过己糖互变合成葡萄糖 半乳糖、甘露糖和果糖等可通过磷酸化、异构化和其他反应分别转化为葡萄糖（图9-13）。思考题1光合作用的基本化学反应是什么？叶绿素在光合作用中的作用是什么？动物体也有类似叶绿素的血红素，为什么动物不能进行光合作用？光反应与暗反应有何重要区别？2糖原和淀粉的生物合成途径有何异同？922 糖的分解代谢9221 糖原的分解（glycogenolysis） 在肝脏及肌肉中都有糖原分解作用。其反应是在磷酸存在下经磷酸化酶，转移酶、脱支酶催化产生葡糖-1-磷酸，后者经葡糖磷酸变位酶催化生成葡糖-6-磷酸，在肝脏经葡糖-6-磷酸酯酶水解成D-葡萄糖。由糖原到葡糖-1-磷酸的正反应（1a）由磷酸化酶a、转移酶和脱支酶（-1，6 glucosidase）催化，实际上转移酶和脱支酶是同1个酶上的不同部分，在相对分子质量为160 000的酶的多肽链上含有2个活性部位。逆反应（1b）需UDPG焦磷酸化酶、糖原合成酶和分支酶。肌肉及脑组织不含葡糖-6-磷酸酯酶，不能将葡糖-6-磷酸水解，故能储留大量葡糖-6-磷酸供合成ATP之用。参加葡萄糖异生作用的酶类：1丙酮酸羧化酶（pyruvate carboxylase）2烯醇丙酮酸磷酸羧激酶（phosphoenolpyrupvate carboxykinase）3烯醇化酶（enolase）4甘油酸磷酸变位酶（phosphoglyceryl mutase）5甘油酸-3-磷酸激酶（3-phosphoglyceryl kinase）6甘油醛-3-磷酸脱氢酶（glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase）7醛缩酶（aldolase）8果糖-1，6-二磷酸酯酶（fructose-1，6-diphosphatase）9葡糖磷酸异构酶（phospho-hexo-isomerase）10葡糖-6-磷酸酯酶（glucose-6-phospatase）糖原分解为葡萄糖的化学途径可表示如下：脱支酶的作用是破坏糖原的1，6-苷键，切去支链。9222 葡萄糖的分解 在生物体中，葡萄糖（包括葡萄糖及由糖原或淀粉释出的葡萄糖单位）的分解代谢包括下列两个连续部分的反应：（1）糖酵解（糖解）：葡萄糖丙酮酸由葡萄糖到形成丙酮酸的一系列反应称糖酵解或糖解（glycolysis）又称EMP途径。糖酵解作用一般在无氧情况下进行，故又称无氧分解。由丙酮酸完全氧化成CO2及H2O这一系列反应，都有氧参加，人们又称这段反应为有氧分解。由于丙酮酸氧化是通过几种三羧酸的循环反应过程来完成的，因而又称三羧酸循环。糖酵解作用（缺氧时）在细胞（特别是肝和肌肉）胞浆中进行，三羧酸循环（包括丙酮酸氧化脱羧）在线粒体中进行。一、糖酵解作用 葡萄糖丙酮酸（一）糖酵解途径概要 糖的酵解途径可分下列四个阶段：第一阶段：葡萄糖果糖-1，6-二磷酸第二阶段：果糖-1，6-二磷酸甘油醛-3-磷酸第三阶段：甘油醛-3-磷酸甘油酸-2-磷酸第四阶段：甘油酸-2-磷酸丙酮酸这四个阶段的有关反应可概括如图9-14。各反应中除反应1及反应3不是由同一酶催化的可逆反应，反应10为不可逆反应外，余均为可逆反应。反应1的逆反应由葡糖-6-磷酸酯酶催化，而反应3的逆反应则由果糖-1，6-二磷酸酯酶催化。由此可见，生物体的合成和分解代谢反应常常有特殊控制而不是简单的可逆反应。图中虚线部分表示有氧、缺氧或无氧时糖酵解的特殊性。在有氧的情况下，反应6释出的NADH即起脱氢氧化。脱出的2H+即通过电子传递体系（传电子给分子氧）氧化成H2O，同时放出6个ATP（详见生物氧化章）。在无氧情况下，反应6产生的NADH即用来还原丙酮酸产生乳酸（反应11）。许多微生物能在缺氧或完全无氧环境下生存，即因其能利用无氧糖解反应取得能量，如乳酸菌。乳酸的形成在机体中是受自动调节的。当氧缺乏时，体内的NADH及丙酮酸的浓度即增高，NADH即自然使丙酮酸还原成乳酸并生成NAD+，以维持糖解的进行。当氧充足时，NAD+浓度升高，丙酮酸浓度降低，细胞中存留的乳酸即被氧化成丙酮酸。丙酮酸再进入下一阶段反应，氧化成CO2及H2O。参加图9-14糖酵解途径各步反应的酶类：反应：1葡糖激酶及己糖激酶（正反应），葡糖-6-磷酸酯酶（逆反应）2葡糖-6-磷酸异构酶3己（果）糖磷酸激酶（正反应），果糖-1，6-二磷酸酯酶（逆反应）4醛缩酶（aldolase）5丙糖磷酸异构酶（triose phosphate isomerase）6甘油醛-3-磷酸脱氢酶（glyceraldehyde 3 phos- phate dehydrogenase）7甘油酸-3-磷酸激酶（phosphoglycerate kinase）8甘油酸磷酸变位酶（phosphoglyceromutase）9烯醇化酶（enolase）10丙酮酸激酶（pyruvate kinase）11乳酸脱氢酶（lactic acid dehydrogenase）（二）糖酵解的化学途径 糖酵解四个阶段的化学反应可表示如下：第一阶段 这一阶段的反应主要为磷酸化。反应1由己糖激酶催化，己精激酶是个同工酶，动物组织的己糖激酶有4种同工酶的形式，分别称为、型，己糖激酶、比较相近，但与型有较大的差别。己糖激酶、分布在不同组织中，除了作用于葡萄糖外，还可作用于其他己糖如果糖、甘露糖等，对葡萄糖的Km值低，亲和力高，葡萄糖浓度较低时，也能使葡萄糖很快转变为葡糖-6-磷酸，这3种酶都受葡糖-6-磷酸的抑制，一旦葡糖-6-磷酸浓度高时，这3种酶就被抑制，抑制了糖的降解，这样可避免葡糖-6-磷酸在细胞内的累积，己糖激酶、型主要用于糖的分解。己糖激酶也称葡糖激酶，仅仅存在于肝脏并仅仅作用于葡萄糖，对葡萄糖的Km值高，亲和力低，当血液中葡萄糖浓度很高时，这酶就变得很活跃，使葡萄糖转变为葡糖-6-磷酸，这酶不受葡糖-6-磷酸的抑制，这样可使葡糖-6-磷酸进一步去合成多糖（肝糖原），所以葡糖激酶主要用于糖的合成。反应2是照物质作用定律进行的，不需特别供给能量。反应1及反应3则为吸能反应，由ATP供给能量。果糖亦如葡萄糖一样可变为果糖-6-磷酸参加代谢。反应1正反应的酶为己糖激酶、逆反应的酶为葡糖-6-磷酸酯酶。反应3正反应由果糖磷酸激酶催化，逆反应由果糖-1，6-二磷酸酯酶催化。第二阶段 这个阶段的分解反应是使果糖-1，6-二磷酸分裂成两分子丙糖磷酸，其反应如下：在逆反应中，醛缩酶能催化二羟丙酮磷酸的醇基与甘油醛磷酸的醛基缩合。体内的甘油可经二羟丙酮磷酸进入糖代谢。第三阶段 此阶段的第一反应为甘油醛-3-磷酸氧化成甘油酸-1，3-二磷酸。此反应为糖分解代谢过程中的第一个氧化-还原步骤。然后经转磷酸基成甘油酸-3-磷酸，后者再变位成甘油酸-2-磷酸。第6反应的脱氢酶催化机制可能如下：反应6由甘油醛-3-磷酸脱出的氢被NAD+接受变为NADH。脱氢产生的能量集中在氧化型中间产物的第一碳原子上形成高能键（以符号表示）。经无机磷酸取代酶后即产生含高能磷酸键的甘油酸-1，3-二磷酸。由于组织（特别是肌肉）中的NAD+含量甚少，NADH有必要迅速被氧化成NAD+，糖酵解反应才能继续进行。在无氧情况下机体可利用丙酮酸、二羟丙酮磷酸和草酰乙酸等代谢产物来氧化NADH，使重变为NAD+，同时这些代谢产物分别还原成乳酸、甘油醛-磷酸和苹果酸。在有氧情况下，NADH可通过生物氧化还原体系（即电子传递体系）被分子氧氧化成NAD+和水，产生ATP。亦有研究指出，反应6中甘油醛-3-磷酸显然是同酶-NAD+络合物（即HS-酶-NAD+）结合形成如下式的氧化型中间产物。第四阶段 在此阶段中，甘油酸-2-磷酸经烯醇化作用脱水成烯醇丙酮酸磷酸，后者的磷酸基转移给ADP即得丙酮酸。碘乙酸可抑制甘油醛磷酸脱氢酶的活力，氟化物可阻抑烯醇化酶的活力。哺乳类的丙酮酸激酶需要K+。在人及动物正常呼吸时（指氧充足时），丙酮酸可进入有氧分解，在缺氧或无氧情况下则被甘油醛-3-磷酸脱氢产生的NADH还原成乳酸（图9-14，反应11）。在酵母或其他微生物作用下，丙酮酸可转变成多种有机化合物，这将在以后简要介绍（参阅图9-18）。（三）糖酵解过程中能量的产生 在糖酵解过程中伴随有能量的转变，总的来说，产生的能比消耗的能为多，能的改变是通过ATP的合成或消耗来表现的（参阅图9-14）。1无氧糖酵解产生的ATP 在无氧糖酵解过程中产生4个ATP（反应7、10），用去2个ATP（反应1、3）。即每一分子葡萄糖经酵解成2分子丙酮酸净增2个ATP（表9-2）。2有氧糖酵解产生的ATP 在有氧糖酵解过程中，每分子葡萄糖分解为两分子丙酮酸共产生10个ATP，消耗2个ATP，净增8个ATP（表9-3）。有氧糖酵解所产生的ATP数为无氧糖酵解的4倍。故无氧糖酵解并不是产生能量的有效途径。思考题1葡萄糖的酵解过程分哪几个阶段？一分子葡萄糖通过酵解可产生多少能量？ATP、ADP在糖酵解过程中起什么作用？2有哪些酶和辅酶参加了糖酵解过程？二、丙酮酸的有氧氧化三羧酸循环总反应：丙酮酸CO2+H2O（一）概况 糖通过酵解产生的丙酮酸在有氧情况下是要进一步完全氧化成H2O和CO2并产生大量的能。这一氧化过程相当复杂，分两个阶段完成：第一阶段：丙酮酸氧化脱羧（丙酮酸乙酰CoA）。第二阶段：三羧酸循环（由乙酰CoA进入三羧酸循环氧化成H2O及CO2并放出能）。（二）丙酮酸的氧化脱羧 丙酮酸氧化脱羧是丙酮酸在有氧情况下经“丙酮酸脱氢酶系”（亦称丙酮酸氧化脱羧酶系）催化产生乙酰CoA和CO2的作用。所谓“丙酮酸脱氢酶系”是多酶系复合物，由下列3种酶组成：1依赖TPP-丙酮酸脱氢酶（TPP-dependent pyruvate dehydrogenase），又称丙酮酸：硫辛酸氧化还原酶（pyruvate：lipoate oxido-reductase），其辅基为TPP。它的功用是催化丙酮酸脱羧和催化硫辛酸还原。2二氢硫辛酸转乙酰基酶（dihydrolipoyl transacetylase），又称硫辛酸转乙酰基酶（lipoateacetyl-transferase），其辅基为硫辛酰胺，其功用为将乙酰基转移给CoA，产生还原型硫辛酰胺（即硫辛酸-酶复合物）。3二氢硫辛酸脱氢酶（dihydrolipoyl dehydrogenase），又称硫辛酰胺脱氢酶（lipoamide dehydrogenase），或NADH：硫辛酰胺氧化还原酶（NADH：lipoamide oxidoreductase）。其辅基为FAD，是一种黄素蛋白。能利用FAD和NAD+。其功用能使二氢硫辛酰胺氧化回到硫辛酰胺。哺乳类的丙酮酸脱氢酶系还包括有激酶和磷酸酯酶。在丙酮酸脱氢酶系反应中，不同场合需要NAD+、FAD硫胺素焦磷酸（TPP）、氧化型硫由丙酮酸到乙酰CoA的总反应可表示如下式：上式反应的中间过程很复杂，硫胺素焦磷酸和硫辛酸在从丙酮酸到乙酰CoA的过程中都有重要作用。学习这段反应机理时，应参考本书酶化学章的辅酶一节。根据现有的科学证据可能包括下列4个步骤：脱羧 这一步反应极为复杂，首先是丙酮酸与TPP加合成为不稳定的络合物，后者经丙酮酸脱氢酶催化生成羟乙基硫胺素焦磷酸（CH3CHOH-TPP）。式中R=嘧啶环，PPi=焦磷酸根。与硫辛酸结合形成乙酰基 这一步反应包括与TPP连接的羟乙基氧化成乙酰基并同时转移给硫辛酸-酶复合物，即硫辛酰胺（lipoamide），产生乙酰硫辛酸-酶复合物，又称乙酰硫辛酰胺（acetyllipoamide）。参加这一反应的酶为二氢硫辛酸转乙酰基酶（dihydrolipoyl transacetylase 又称lipoate acetyltransferase）。转酰基再生还原型硫辛酸脱氢，脱出的氢由FAD接受生成FADH2，FADH2被NAN+氧化成FAD。与此同时产生NADH+H+，参加这一反应的酶为二氢硫辛酰胺脱氢酶（dihydrolipoyl dehydrogenase又称lipoamide dehydrogenase）。最后FADH2被NAD+再氧化。式中方括弧内的-SHS-和-S-S-表示脱氢酶分子中的-SHS-和-S-S-基团同辅基FAD共同参加电子传递。关于这一反应的作用机制，目前认为FAD的异咯嗪与硫辛酸脱氢酶分子中的二硫基团（由半胱氨酸形成的-S-S-基团）协同接受由二氢硫辛酰胺（即还原型硫辛酰胺）释出的电子。在此过程中，最初由FAD的异咯嗪部分接受一个电子变为带负离子的半醌（semiquinone）型，脱氢酶的-S-S-基团接受一个电子被还原。最后NAD+将两个电子一齐接受而产生氧化型脱氢酶-FAD复合物。这些反应说明为什么NAD+能接受由FADH2释出的电子，可表示如图9-15。参加上述丙酮酸氧化脱羧各反应中的辅酶（TPP、FAD）都是同它们各自的有关酶蛋白（E）结合在一起的。上述丙酮酸氧化脱羧各反应可总结如下图：图注：1反应1基本上是不可逆的，偏向于柠檬酸的形成。2反应4的辅酶为NAD+。许多组织含两种异柠檬酸脱氧酶，一种是只存在于线粒体中，需NAD+和Mg2+，另一种存在于线粒体和细胞质中，需要NADP+为辅酶。前者参加三羧酸循环，后者参加其他反应。3反应5的异柠檬酸脱氢酶有氧化脱羧作用，需Mg2+为辅助因子。4反应6、7，即由-酮戊二酸到琥珀酸的反应，是不可逆的。关于催化反应7的酶还有不统一的地方，过去认为是由琥珀酰硫激酶（succinic thiokinase）催化，但新近有实验证明在哺乳类是依靠GDP的琥珀酰CoA合成酶（琥珀酸：CoA连接酶）。在微生物体中丙酮酸氧化脱羧成乙酰CoA可能还有其他途径。例如变形杆菌使丙酮酸乙酰CoA的过程中即不需NAD和硫辛酸，而大肠杆菌的丙酮酸氧化脱羧过程中显然需要TPP与的结合体LTPP。（三）三羧酸循环概要 是乙酰CoA与草酰乙酸结合进入循环经一系列反应再回到草酰乙酸的过程。在这个过程中乙酰CoA被氧化成H2O和CO2并产生大量的能。其反应途径可表示如图9-17。（四）三羧酸循环的化学途径 图9-17的各化学途径如下：1草酰乙酸-酮戊二酸2-酮戊二酸琥珀酰CoA由-酮戊二酸到琥珀酰CoA的反应是由三羧酸（C6）转到二羧酸（C4）的关键。首先是-酮戊二酸照丙酮酸氧化脱羧方式变成琥珀酰CoA，其过程与丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA相似，参加的酶有：-酮戊二酸脱氢酶 （TPP-dependent -keto-glutarate dehydrogenase component），系统名为2-氧戊二酸：硫辛酸氧化还原酶（2-oxo-glutarate：lipoate oxido-reductase）。其辅基为TPP，功用为使-酮戊二酸脱羧和使硫辛酸还原。二氢硫辛酸琥珀酰基转移酶（lipoate succinyl transferase），辅基为硫辛酸，功用为转琥珀酰基。能将琥珀酰硫辛酰胺的琥珀酰基转给CoA，形成琥珀酰CoA。二氢硫辛酰胺脱氧酶（lipoamide dehydrogenase），系统名为NADH：硫辛酰胺氧化还原酶（NADH：lipoamide oxido-reductase），其辅基为FAD，功用与丙酮酸脱氢酶系中的硫辛酰胺脱氢酶相似。丙酮酸脱氢酶系的3种酶和-酮戊二酸脱氢酶系的3种酶都各有其组织性的。前者以二氢硫辛酸乙酰基转移酶为核心，其他两种酶与核心相连。后者以二氢硫辛酸琥珀酰基转移酶为核心，-酮戊二酸脱氢酶以非共价键与核心酶相连，二氢硫辛酰胺脱氢酶以共价键与核心酶组分相连。两个脱氢酶系的硫辛酰胺脱氢酶是相同的，其余两种都不相同。由-酮戊二酸到琥珀酰CoA的化学过程也很复杂，需要-酮戊二酸脱氢酶系的3种酶和它们的辅助因子如NAD+、CoA、TPP、硫辛酰胺、FAD和Mg2+等。其总反应可表示如下：这一段反应与丙酮酸到乙酰CoA的反应相似，也包括脱羧、与硫辛酰胺结合产生琥珀酰二氢硫辛酰胺，转琥珀酰基给CoA和最后将二氢硫辛酰胺氧化成硫辛酰胺等步骤。脱羧与氧化型硫辛酰胺（即硫辛酸-酶复合物）结合产生琥珀酰二氢硫辛酰胺转琥珀酰基再生这一反应与丙酮酸脱氢酶系中的反应相同。3由琥珀酰-CoA琥珀酸琥珀酰CoA与二磷酸鸟苷（GDP）及磷酸作用迅速分解成琥珀酸，在此反应中产生一个ATP分子。催化这一反应的酶为琥珀酰CoA合成酶（succinyl CoA synthetase即succinate：CoA ligase）。在植物体中琥珀酰CoA可照下式变为琥珀酸：琥珀酰CoA+ADP+H3PO4+H2O+琥珀酸+CoA+ATP4由琥珀酸草酰乙酸从上述各反应中（参阅图9-17及反应式）可见三羧酸循环反应主要是脱水（反应2）、加水（反应1、3、9）、脱羧（反应5、6）及脱氢（反应4、6、8、10）。丙酮酸转变为乙酰CoA过程中亦脱出两个H。在脱氢作用中脱氢酶及NAD、NADP、FAD、TPP、硫辛酸各辅酶均发生了重要作用。由丙酮酸氧化成CO2的各反应可总结如下式：丙酮酸+CoASH+NAD+乙酰CoA+NADH+H+CO2乙酰-CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+CoA-SH+3NADH+3H+FADH2+GTP净反应：丙酮酸+4NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O3CO2+4NADH+4H+FADH2+GTP（五）丙酮酸氧化分解所产生的能量 在丙酮酸到乙酰CoA及在三羧酸循环（图9-17）中反应4、6、8和10各步骤皆脱出氢，氢通过电子传递体系与氧化合成水即有能量释出（以ATP形式贮存）。每1分子NAD+NADH+H+或+NADP+NADPH+H+释出的能产生3个ATP，每1分子FADFADH2释出的能产生2个ATP。反应7产生1个ATP。总计由每1分子丙酮酸完全氧化成水及CO2过程中共净增15个ATP。每两分子丙酮酸氧化后共净增30个ATP（表9-5）。至此可见，包括糖酵解所产生的8个ATP在内，1摩尔葡萄糖完全氧化成H2O及CO2共产生38摩尔ATP。丙酮酸有氧氧化阶段所产生的能量近于糖酵解阶段所生能量的4倍。思考题1丙酮酸氧化脱羧作用与-酮戊二酸的脱羧作用在化学反应上有何异同之处？2CoA与ATP在丙酮酸分解代谢中起什么作用？3在糖酵解与三羧酸循环中在哪些反应步骤产生ATP？（六）三羧酸循环的生物学意义三羧酸循环究竟有何实际意义呢？现在可再总结几句。从上段所述，我们可以看出：三羧酸循环为完成糖代谢、产生大量能量供机体生命活动之用的重要反应，它不仅是糖代谢所需的重要反应，而且亦是脂类和氨基酸分解代谢共同必需的重要反应。三羧酸循环反应的中间产物可供生物合成之用。例如为脂酸的生物合成提供NADH，为谷氨酸合成提供-酮戊二酸。此外，进入三羧酸循环的乙酰CoA，还可从脂肪和氨基酸分解而来，草酸乙酸