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14.3总结发酵：丙酮酸无氧情况下的去路。1、 糖酵解时产生的NADH必须进行循环来重新产生NAD+，NAD+ 在准备阶段的第一步时是一种必须的电子载体。在有氧的情况下，电子在线粒体的有氧呼吸中从NADH传递给O2.2、 在无氧条件或缺氧条件下，许多生物将NADH的电子传递给丙酮酸产生乳酸的方式来重新生成HAD+。其他生物像酵母将丙酮酸还原成乙醇与CO2来产生HAD+。在无氧氧化的过程中（如发酵），葡萄糖中的碳并没有发生实质的氧化还原反应。3、 许多种类的微生物可以发酵新鲜事物中的糖类，从而导致食物pH、味道和组成的改变，导致保存食物的腐败。发酵还在工业中用于利用一些价格低廉的原材料来制造许多在商业上使用的有机化合物。144糖异生作用葡萄糖在代谢中的重要作用在进化的很早的阶段就产生，并且这种糖仍然保持是生物界从微生物到人类近乎通用的燃料和高等生物构建细胞的材料。在哺乳动物中，一些组织几乎全部依靠葡萄糖作为代谢中的能源。例如人类的大脑和神经系统，同时对于红细胞、睾丸、肾髓质和分生组织，血液中的葡萄糖是细胞的基本或者主要的燃料来源。仅仅大脑一天内至少需要消耗120克葡萄糖-超过了肌肉和肝脏中以糖原形式贮存的葡萄糖总量的一半。但是，在两餐之间及长时间的斋戒过程或剧烈的运动中从这些贮藏中提供的葡萄糖并不是很充足，糖原会被消耗殆尽。在这些情况下，机体需要从非糖前体合成葡萄糖。这是通过糖异生作用（新的糖类的生成）实现的，它将丙酮酸或者其他的三碳或四碳化合物转换成葡萄糖。糖异生作用在所有的动物、植物、真菌和微生物中存在。这种反应在所有物种所有组织中的过程是一样的。在动物体中糖异生作用的主要前体包括乳酸、丙酮酸、甘油和一些特定的氨基酸。在哺乳动物中，糖异生作用主要发生在肝脏中在肾脏皮质中也有一定的存在。产生的葡萄糖通过血液循环前往各种组织发挥作用。Cori循环式指剧烈运动后，骨骼肌中通过无氧氧化生的乳酸返回肝脏并被转换成葡萄糖，葡萄糖被运输至肌肉并被转换成糖原。在植物幼苗中，存储的脂肪和蛋白质经过一个包含糖异生作用的过程转换成蔗糖这种二糖并被运输到发育中的植物体。葡萄糖和他的衍生物是植物体细胞壁、核苷酸、辅酶和一系列的其他必须代谢产物合成的前体。在许多微生物中，糖异生作用开始于一些存在于培养基中的简单的二碳和三碳化合物，如乙酸盐、乳酸盐或丙酸盐。尽管糖异生作用在所有的有机体中过程相同，但是代谢的关联性和过程中的调节却随着物种和组织的不同而不同。在本节，我们将要关注发生在哺乳动物肝脏中的糖异生作用，在20章，我们将会展示光和生物如何将光合作用的初级产物转换成葡萄糖，然后被存储为蔗糖或淀粉。图14-15 从简单前体合成糖类。在动物和植物中，从磷酸烯醇式丙酮酸产生6磷酸葡萄糖的过程是一种平常的从多种前体完成的生物转化的途径。植物和光合细菌是特殊的能够转化二氧化碳生成糖类的物种。图14-16发生在小鼠肝脏中的糖异生和糖酵解作用的相反的途径。糖酵解的途径用红色箭头在图左边表示，糖异生作用中相反的途径在用蓝色箭头在图的右边表示。糖异生作用的调节位点将在第十五章中说明并讨论。图14-19阐明了线粒体中产生的草酰乙酸经过一个可选择的途径进入糖异生。糖异生作用和糖酵解突降并不是方向相反但是步骤完全相同，虽然他们在一些步骤上是一样的；糖异生作用中的十步酶促反应中有7步与糖酵解步骤的反方向。但是，糖酵解过程中的三步反应在体内时不可逆的同时也不能用在糖异生作用中：己糖激酶催化下的由葡萄糖转换成六磷酸葡萄糖的步骤，磷酸果糖激酶-1催化下的6-磷酸果糖磷酸化成为1.6-二磷酸果糖，和丙酮酸激酶催化下的由磷酸烯醇式丙酮酸转化成丙酮酸的步骤。在细胞中，这三部反应具有特征性的较大的自由能负值，G，与此同时，其他的汤分解过程中的反应的G接近0。在糖异生作用中，这三部不可逆的过程通过一套分离的酶来完成，催化一些在糖酵解过程中大量放能并不可逆的反应。这样，在细胞内的糖酵解和糖异生作用均是不可逆的。在动物细胞中，这两个途径绝大多数反应发生在胞质溶胶中，这就迫使二者产生一种相反的或者相互协调的调节机制。两种途径的分别调节诶是通过调节两种途径分别拥有的特殊的酶促反应而实现的。我们从糖异生作用中的三步旁路反应开始考虑。（旁路指的是贯穿糖降解反应中的一些不可逆的反应。）将丙酮酸转换成磷酸烯醇式丙酮酸需要两步放能反应糖异生作用中的第一步旁路反应指的是从丙酮酸到磷酸烯醇式丙酮酸的转变。这个反应不能通过糖酵解中的丙酮酸激酶催化而可逆进行（532页），因为其具有较大的负的自由能变化，使其在完整细胞中不能进行（表14-2，第十步）。但是，丙酮酸的磷酸化可以通过一个需要真核生物胞质和线粒体中的酶参与的迂回反应而实现。从图14-16中可以发现，在专业里详细介绍的的反应是一个由两步转换完成将丙酮酸转换成磷酸烯醇式丙酮酸的，这是一个当丙酮酸或者丙氨酸作为糖异生前体时的有效的转化途径。丙酮酸首先从胞质中运输到线粒体中或是在线粒体中丙氨酸发生转氨基作用（产生丙酮酸）将氨基转移到一个酮酸上（第十八章将详细介绍转氨基作用）。然后，存在于线粒体中需要生物素（维生素H）作为辅因子的丙酮酸羧化酶将丙酮酸转化成草酰乙酸（图14-17）。Pyruvate +HCO3 -+ATP oxaloacetate +ADP+ Pi (144)注意：G表示自由能的变化，在第十三章定义（491页）。G指的是在真是的糖分解作用的所有中间产物的浓度下在红细胞内的生理状态下，pH=7的条件下计算得到的自由能变化。糖异生作用中与糖分解作用中不同的部分用红色标注。生化方程式并不必要在H离子或者电荷上进行配平。这个反应中生物素起到活化了的碳酸氢根离子的载体的作用（图14-18）。反应的机制将在图16-16中阐释。丙酮酸羧化酶是糖异生作用中的第一个调节酶，乙酰辅酶A为其正效应物（乙酰辅酶A通过脂肪的氧化产生（第十七章），乙酰辅酶A的积累意味着脂肪可以作为一种可用的燃料。）我们在第十六章应该可以看到（图16-15），丙酮酸羧化反应的产物可以作为另一个中心代谢途径“三羧酸循环”的补充物。由于线粒体膜没有草酰乙酸的载体，为了将线粒体中产生的草酰乙酸转移到细胞之中，草酰乙酸在线粒体内会在消耗NADH的情况下被苹果酸酶催化还原成苹果酸。Oxaloacetate+NADH+H+ L-malate +NAD+ (145)图14-17从丙酮酸合成磷酸烯醇式丙酮酸。（a）在线粒体中，丙酮酸通过以生物素为辅因子的丙酮酸羧化酶的催化产生磷酸烯醇式丙酮酸。（b）在细胞质中，草酰乙酸通过磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的催化转换为磷酸烯醇式丙酮酸。在丙酮酸羧化酶催化的反应中参与反应的二氧化碳此处以二氧化碳的形式释放。脱羧反应导致丙酮酸一半羧基上的电子重排，因此更易进攻GTP中的磷酸基。图14-18在丙酮酸羧化酶碎花的反应中生物素所起的作用。生物素这种辅因子和赖氨酸残基的一个氨基形成一个酰胺键而以共价的形式与酶结合，形成一个生物素-酶复合体。这个反应分两个阶段，发生在酶的两个不同的位点上。在催化位点1上，酶通过消耗一个ATP的方式将碳酸氢根离子转化为二氧化碳。而后二氧化碳与生物素发生反应，产生羧化生物素-酶复合体。组成生物素的一个长臂与与生物素连接的酶分子上的赖氨酸将羧化生物素-酶复合体上的二氧化碳转移到酶表面的催化位点2，在催化位点2上，二氧化碳被释放并与丙酮酸反应，产生草酰乙酸并重新产生生物素-酶复合体。可转动的臂在酶的催化位点间与转移反应中间产物的大体功能在图16-17中阐述，丙酮酸羧化酶催化反应的机械学关系在图16-16中阐释。相同的机械学原理在一些其他的生物素依赖性的羧化反应中也是存在的，例如丙酰辅酶A的脱羧（图17-11）和乙酰辅酶A的脱羧（图21-1）。这个反应的标准自由能变化是相当大的，但是在生理环境下（包括在一个草酰乙酸含量很低的环境下），其G0并且这个反应是容易向反向进行的。线粒体中的苹果酸脱氢酶在糖异生作用和三羧酸循环中都发挥作用，但是总的代谢方向在两个过程中是相反的。苹果酸通过线粒体内膜上的一个特殊的载体离开线粒体（图19-27），在细胞质中有被重新氧化成草酰乙酸同时在胞质中产生NADH。Malate+NAD+ oxaloacetate + NADH+H+ (146)草酰乙酸接着在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的作用下产生磷酸烯醇式丙酮酸（图14-17）。反应过程中需要镁离子的参与，同时也需要GTP作为磷酸集团的供体。Oxaloacetate + GTP PEP +CO2 +GDP (147)这个反应在细胞内是可逆的，产生PEP时产生的一个高能键平衡了GTP水解时破坏的一个高能键。在这个旁路中的总体的平衡等于式14-4与式14-7的加和。Pyruvate + ATP+GTP+ HCO3 - PEP+ ADP+ GDP +Pi + CO2G0 =0.9 kJ/mol (148)两个高能磷酸键是相当的（一个来源于ATP另一个来源于GTP），每一个在细胞内都存储了大约50kJ/mol。在由丙酮酸生成PEP的过程中都被消耗。反过来说，在糖酵解过程中当PEP生成丙酮酸时，只有一个ADP被磷酸化产生ATP。尽管在从丙酮酸转化成PEP的两部反应的标准自由能变化只相差0.9KJ/mol，但是实际上，根据细胞内部各种中间产物浓度计算出的自由能的变化则非常大（-25 KJ/mol）；这是由于细胞中PEP随时准备被一些代谢途径消耗，导致其在细胞内的浓度相当对较低。这样这个反应才能在细胞中做到不可逆。注意在丙酮酸羧化酶催化下的丙酮酸的羧化步骤中加入的二氧化碳与草酰乙酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化下的反应中脱下的二氧化碳是同一个分子（图14-17）。这个羧化和脱羧的顺序激活了丙酮酸，这样促进了草酰乙酸脱羧产生PEP。在21章我们会学习一个类似的羧化和脱羧的过程用来在脂肪酸的合成中激活乙酰辅酶A（图21-1）。这些用来穿过线粒体膜的反应过程存在一定的逻辑性。胞质内NADH/NAD+的比值是810-4大约是线粒体内的10-5。由于胞质内的NADH在糖异生作用被消耗（在由1，3-二磷酸甘油酸到3磷酸甘油醛的转换；图14-16）葡萄糖的生物合成必须在NADH充足的情况下才能进行。苹果酸从线粒体中转移至细胞质和变回草酰乙酸的过程中有效的增加了胞质中缺乏的NADH的量。从丙酮酸到PEP的途径因此提供了一个在胞质中进行糖异生作用的NADH的消耗与产生的重要平衡。第二个从丙酮酸到PEP的旁路只有在乳酸作为糖异生前体物时才占主导（图14-19）。这个途径利用乳酸，例如红细胞或者是肌细胞无氧氧化时产生的，这种途径对于大型脊椎动物的剧烈运动显得特别重要。这种在肝细胞胞质中发生的转化产生NADH，同时，此时从线粒体中产苹果酸并产生NADH显得无用。在由乳酸脱氢酶的作用下由乳酸产生丙酮酸之后丙酮酸被转运到线粒体中，如上文所述，丙酮酸在线粒体中被丙酮酸羧化酶被转化成草酰乙酸。但是，草酰乙酸在线粒体中直接由一种磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶同工酶的催化下产生PEP，然后PEP被转运出线粒体进入细胞质，继续进行糖异生作用。这种胞质中和线粒体中的磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的同工酶是由核基因组中的独立基因编码的，这就有提供了一个两种不同的酶催化相同的化学反应，但是两种酶的位置或则会代谢功能不同的例子（回忆己糖激酶的同工酶）。将1，6-二磷酸果糖转化成6磷酸果糖是第二个旁路。第二个糖分解反应中有的但是不能在糖异生作用中使用的是由磷酸果糖激酶1催化下的由6磷酸果糖磷酸化为1，6-二磷酸果糖（表14-2，第三步）。因为这个反应是高度放能的，因此在完整细胞中是不可逆的，由6磷酸葡萄糖产生1，6二磷酸葡萄糖的反应是由另外一种酶-依赖镁离子的1，6果糖二磷酸酶催化的，它能够催化实质上不可逆的果糖1号碳上磷酸基团的水解（没有将磷酸集团转移给ADP）：Fructose 1,6-bisphosphate+H2O Fructose 6-phosphate+ PiG= 16.3 kJ/mol六磷酸葡萄糖转化成葡萄糖是糖异生作用中的第三个旁路。糖异生作用中的第三步旁路是糖异生作用的最后一步反应，6磷酸葡萄糖产生葡萄糖（图14-16）。消除己糖激酶的影响需要将磷酸集团转移给ADP产生ATP，这是个难以进行的反应（表14-2第一步）。这个反应是由6磷酸葡萄糖酶催化的并不要求有ATP的产生。这是一个简单的磷酸基团的水解反应。Glucose 6-phosphate +H2O gluc