生物化学：第六章 糖代谢2

1、第六章糖代谢第一节 糖原的降解 化学知识告诉我们，糖(saccharide)是一类由多羟基醛或多羟基酮组成的化合物。 它包括多羟基醛、多羟基酮及其聚合物、衍生物，是由碳、氢、氧三种元素组成的。 根据糖是否能水解及其水解后的产物，可将糖分为单糖单糖(mono- saccharide)、寡寡糖糖(oligosaccharide)和和多糖多糖(polysaccharide)。 单糖最简单，不能再被水解为更简单的糖类物质。 而寡糖与多糖寡糖与多糖则能够被水解得到单糖。但寡糖寡糖由少数单糖分子缩合而成，多糖多糖由许多单糖分子缩合而成。 糖普遍存在于动物体内，可以构成组织细胞的成分。 例如，核糖与脱氧核糖

2、是核酸的组成成分， 粘多糖是结缔组织基质的组成成分， 糖与脂类形成的糖脂是细胞膜的组成成分。 糖在体内主要用作糖在体内主要用作能源和碳源能源和碳源 在正常情况下，糖是生物体主要的供能物质，体内体内70%的能量来自糖的分解的能量来自糖的分解。 有些器官（如大脑）必须直接利用葡萄糖供能，母畜妊娠时胎儿必须利用葡萄糖，泌乳时需大量的葡萄糖合成乳糖。 糖在分解过程中产生的中间产物又可糖在分解过程中产生的中间产物又可以以提供提供合成脂类与蛋白质等物质所需要的合成脂类与蛋白质等物质所需要的碳骨架碳骨架。 糖原（glycogen）是动物与细菌细胞动物与细菌细胞内内糖及其所反映的能源糖及其所反映的能源的一种储

3、存形式的一种储存形式。 其功用与植物中的淀粉相同，所以又被称为“动物淀粉”。 其基本结构其基本结构与枝链淀粉相似与枝链淀粉相似，但分枝，但分枝更多更多。 组成糖原的基本单位是葡萄糖 在同一条链内相邻的两个葡萄糖残基之间以-1，4-糖苷键糖苷键相连， 但在分支点处（即支链与主链的连接点）相邻的两个葡萄糖残基之间则以-1，6-糖糖苷键苷键相连。 直直链链淀淀粉粉的的结结构构 糖原的主链有两个末端，一端存在一个游离的C1半缩醛羟基，为还原端还原端; 另一端存在C4羟基，为非还原非还原端。 但支链只露出非还原端支链只露出非还原端，其另一端的C1半缩醛羟基与主链上葡萄糖残基的C6羟基缩合而以-1，6-糖

4、苷键相连。糖原在细胞内的降解过程 与淀粉的相同，其具体过程如下。 第一步， 糖原磷酸化酶 糖原 + n*H3P04 n*1-磷酸葡萄糖+ 极限糊精 这里，糊精（dextrin）是指糖原在降糖原在降解过程中产生的一系列分子大小不等的复解过程中产生的一系列分子大小不等的复杂多糖杂多糖， 而极限糊精则为糖原经降解而残留的糖原经降解而残留的原糖原的多分枝核心原糖原的多分枝核心。 这里，糖原磷酸化酶（phosphorylase）从糖原链的非还原端从糖原链的非还原端开始开始作用于作用于-1，4-糖糖苷键苷键，催化磷酸裂解糖苷键催化磷酸裂解糖苷键，逐个移去葡萄糖残基，产生产生1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖。 糖原

5、磷酸化酶不能作用降解-1，6-糖苷键。 当糖原磷酸化酶当糖原磷酸化酶作用到距分支点约作用到距分支点约4个葡个葡萄糖残基处时萄糖残基处时便停止作用便停止作用。 （注：也有学者将“糖原磷酸化酶”叫做“糖苷转移酶”） 第二步， 当糖原磷酸化酶暂时停止作用后，（葡聚糖）转移酶(transferase)就将支链上的葡三糖转移到主链的非还原端并以-1，4-糖苷键相连。 第三步， 所剩下的一个以-1，6-糖苷键与主链相连的葡萄糖残基，则由脱枝酶(debranching enzyme)（即-1，6-糖苷酶）水解而得到游离的葡萄糖。 （注：也有学者认为这里的转移酶与脱枝酶是一个酶上的不同部分。） 可见，糖原在细

6、胞内的降解过程实际上就是一个磷酸解磷酸解(phosphorolysis)的过程。 其主要产物是主要产物是1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖，其次是游其次是游离的葡萄糖离的葡萄糖。aOCH2OHOHOHOHHHHHOOCH2OHOHOHHHHHOCH2OHOHOHHHHHOOOCH2OHOHOHOHOHHHHPOCH2OHOHOHHHHHOCH2OHOHOHOHHHHHOO细胞内糖细胞内糖原在磷酸原在磷酸化酶和脱化酶和脱枝酶催化枝酶催化下形成下形成1-1-磷酸葡萄磷酸葡萄糖糖 糖原主要贮存于肝脏和骨骼肌的细胞质中，以肝脏中的浓度最高肝脏中的浓度最高。由于骨骼肌的肌肉数量骨骼肌的肌肉数量最大，所以其糖原贮存

7、最大，所以其糖原贮存最多最多。 当糖原被分解后，所产生的游离葡萄糖主要被大脑和骨骼肌利用，而1-磷酸葡萄糖则被磷酸磷酸葡萄糖则被磷酸葡萄糖变位酶葡萄糖变位酶(phosphoglucomutase)催化转变为催化转变为6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖。 磷酸化的葡萄糖不磷酸化的葡萄糖不能扩散到细胞外能扩散到细胞外。OCH2OPO3H2OHOHOHOHHHHHOCH2OHOHOHOHHHHHOPO3H2 肝脏中有葡萄糖肝脏中有葡萄糖-6-磷酸酶磷酸酶(glucose 6-phosphatase)，可以催化6-磷酸葡萄糖水解为葡萄糖和无机磷酸，所产生的葡萄糖可以透过细胞膜进入血液而补充血糖。 因此，葡萄糖葡

8、萄糖-6-磷酸酶是肝脏保证血磷酸酶是肝脏保证血糖稳定的重要酶糖稳定的重要酶。 但是，肌肉中没有这种酶。肌肉中没有这种酶。因此，肌肌肉中的糖原降解后产生的肉中的糖原降解后产生的6-磷酸葡萄糖主磷酸葡萄糖主要是用于分解供能要是用于分解供能。第二节 糖的无氧酵解与有氧氧化 糖的分解代谢是生物体获取能量的方式，其实质就是糖的生物氧化作用。 一糖的无氧酵解(glycolysis) （一） 糖的无氧酵解途径 糖酵解过程是普遍存在于生物界的一糖酵解过程是普遍存在于生物界的一种代谢过程种代谢过程, ,是呼吸作用的一个重要过程。是呼吸作用的一个重要过程。 本过程是本过程是由葡萄糖作为底物，经过一系列由葡萄糖作为

9、底物，经过一系列生化反应，转变为丙酮酸，同时将其释放的能生化反应，转变为丙酮酸，同时将其释放的能量合成量合成ATPATP的过程。的过程。 由于由于EmbdenEmbden、MeyerholfMeyerholf和和ParnasParnas等人在等人在研究糖酵解作用方面作了较大的贡献，因而糖研究糖酵解作用方面作了较大的贡献，因而糖酵解过程有时也称为酵解过程有时也称为EMPEMP途径途径。 Glycolytic Pathway糖酵解糖酵解第一阶段，葡萄糖1，6-二磷酸果糖 葡萄糖 + ATP 6-磷酸葡萄糖(glucose 6-phosphate)+ADP， 由葡萄糖激酶(glucokinase)或

10、己糖激酶(hexokinase)催化； 此步反应是不可逆的。 此步反应中，葡萄糖(glucose)被磷酸化而为6-磷酸葡萄糖(glucose 6-phosphate)。OHOHHH 其意义在于糖的磷酸化形式使之易于参与代谢过程，并且由于它自身带有呈负电荷的磷酸基团，因而不会透过质膜，反而有助于细胞保糖。 2 6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖(fructose 6-phosphate) 由磷酸己糖异构酶(phosphohexoisomerase)催化； 也有学者称之为磷酸葡萄糖异构酶(phosphoglucoisomerase) 。 此反应可逆的。磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖异构酶异构酶 3 6-磷酸果糖 +

11、 ATP 1，6-二磷酸果糖 (fructose 1,6-bisphosphate) + ADP， 由磷酸果糖激酶(phosphofructokinase)催化 ， 此步反应不可逆。 反应中，六碳糖上带有2个磷酸基团。磷酸磷酸果糖果糖激酶激酶第二阶段 1，6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛1,6-二磷酸果糖HOHH2O3POHOHOHCH2OPO3H2CH2OCH2OPO3H2CCH2OHOCH2OPO3H2CHOHCHO磷酸二羟丙酮3磷酸甘油醛磷酸丙糖异构酶964醛缩酶 4 1，6-二磷酸果糖 磷酸二羟丙酮 + 3-磷酸甘油醛 此步反应由醛缩酶(aldolase)催化 ，是可逆的。 此步反应中，由

12、1个带有2个磷酸基团的六碳糖转变为2个各带有1个磷酸基团的三碳糖磷酸丙糖。 1, 6-二磷酸果糖二磷酸果糖 3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛1,6-二磷酸果糖HOHH2O3POHOHOHCH2OPO3H2CH2OCH2OPO3H2CCH2OHOCH2OPO3H2CHOHCHO磷酸二羟丙酮3磷酸甘油醛磷酸丙糖异构酶964醛缩酶磷酸丙糖磷酸丙糖异构酶异构酶 5 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛 由磷酸丙糖异构酶(phosphotriose isomerase)催化 ， 此步反应可逆的。 这两种磷酸丙糖在磷酸丙糖异构酶的催化下互变反应达到平衡时，磷酸二羟丙酮（dihydroxyacetone phosphate

13、）占96%，3-磷酸甘油醛(glyceraldehyde 3-phosphate)只占4%。磷酸丙糖异构酶磷酸丙糖异构酶磷酸丙糖磷酸丙糖异构酶异构酶 由于下面的反应是从3-磷酸甘油醛开始的，故随着3-磷酸甘油醛的消耗，磷酸二羟丙酮就又不断转变为3-磷酸甘油醛。第三阶段 3-磷酸甘油醛2-磷酸甘油酸6. 3-磷酸甘油醛 + H3P04 + NAD+ 1，3-二磷酸甘油酸 + NADH + H+ 由磷酸甘油醛脱氢酶(phosphoglyceraldehyde dehydrogenase)催化, 此步反应是可逆的。 3-3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛脱氢酶脱氢酶 该反应是糖酵解过程中唯一的氧化还原反应。

14、3-磷酸甘油醛在被催化脱氢的过程中，其分子内部能量重新分布，导致产生了1，3-二磷酸甘油酸(1,3-bisphosphoglycerate)这个高能磷酸化合物。 磷酸甘油醛脱氢酶上第149位的半胱氨酸（Cys）上的巯基（-SH）是酶的活性基团。它与NAD+的吡啶环靠得很近，共同组成酶的活性中心。该巯基可以和3-磷酸甘油醛特异结合。 其催化机理如下。 当巯基和3-磷酸甘油醛特异结合后，NAD+可以从中间产物上的3-磷酸甘油醛部分夺取2个氢而生成NADH + H+，而中间产物则转变为含有高能硫酯键的高能化合物形态。然后，NADH + H+从酶上解离下来而代之以NAD+ 。 这时，磷酸可以攻击高能硫

15、酯键，从而产生1，3-二磷酸甘油酸。 此外，在这个阶段，砷酸盐（AsO43-）可以和H3PO4竞相与高能硫酯中间产物结合，导致产生不稳定的1-砷-3-磷酸甘油酸，而1-砷-3-磷酸甘油酸又会转变为3-磷酸甘油酸。 这时并无磷酸化作用发生，即氧化作用与磷酸化作用解偶联，不能产生1，3-二磷酸甘油酸。 碘乙酸可以通过与巯基结合而抑制酶的活性。7 1，3-二磷酸甘油酸 + ADP 3-磷酸甘油酸 + ATP， 由磷酸甘油酸激酶(phosphoglycerate kinase)催化 ； 此步反应是可逆的。 1，3-二磷酸甘油酸在酶的作用下将其具有的高能磷酸键转移给ADP而生成ATP和3-磷酸甘油酸(3

16、-phosphoglycerate)。 此步反应也是糖酵解过程中的第一个底物水平磷酸化作用。3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸(2-phosphoglycerate)， 由磷酸甘油酸变位酶(phosphoglycerate mutase)催化 ； 此步反应是可逆的。第四阶段磷酸甘油酸丙酮酸9 2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸 (phosphoenolpyruvate)+H2O， 由烯醇化酶(enolase)催化 ； 此步反应是可逆的。烯醇化烯醇化酶酶 2-磷酸甘油酸在酶的作用下脱水，导致其分子内部能量重新分布，一部分能量集中于磷酸键，从而生成具有高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸。 催化此步反应的烯醇化酶为

17、二聚体，可以和Mg2+、Mn2+紧密结合。F-能够与Mg2+形成络合物MgF2，并结合于酶上，从而抑制酶的活性。 10 磷酸烯醇式丙酮酸+ADP 烯醇式丙酮酸+ATP， 而烯醇式丙酮酸又可以自发地转变为丙酮酸。 此反应由丙酮酸激酶(pyruvate kinase)催化 。丙酮酸丙酮酸激酶激酶 此步反应是不可逆的。 此步反应也是糖酵解过程中的第二个底物水平磷酸化作用。（二） 糖酵解过程中ATP的生成 以1mol葡萄糖为例来分析糖酵解过程中ATP的生成情况。 1葡萄糖+ATP6-磷酸葡萄糖+ADP，由葡萄糖激酶或己糖激酶催化的反应中，消耗1mol ATP； 26-磷酸果糖+ATP1，6-二磷酸果糖

18、+ADP，由磷酸果糖激酶催化的反应中，消耗1mol ATP； 3由于1，6-二磷酸果糖由醛缩酶催化产生磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛，而磷酸二羟丙酮由磷酸丙糖异构酶催化与3-磷酸甘油醛之间产生异构互变， 因此在下列反应中，即 3-磷酸甘油醛 + H3PO4 + NAD+ 1，3-磷酸甘油酸 + NADH + H+ ，由磷酸甘油醛脱氢酶催化的反应中，产生2mol （NADH + H+ ）； 41，3-磷酸甘油酸+ ADP 3-磷酸 甘油酸+ATP， 由磷酸甘油酸激酶催化的反应中，产生2mol ATP； 5磷酸烯醇式丙酮酸+ADP 丙酮酸+ATP， 由丙酮酸激酶催化的反应中，产生2mol ATP；

19、在无氧条件下，糖酵解过程中产生的NADH不可能将氢经呼吸链传递给氧而生成水并且产生能量，因此，在整个糖酵解阶段1mol葡萄糖所净生成的ATP数量为 （-1）+（-1）+（+2）+（+2）=2 （mol） 其总的反应式： 葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+ 2丙酮酸+2ATP+2H2O+2NADH+2H+ 葡萄糖葡萄糖 6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄磷酸葡萄糖糖糖原糖原6-磷酸果糖磷酸果糖1,6-二磷酸果糖二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛磷酸二磷酸二羟丙酮羟丙酮1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸2磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸2烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸2丙酮酸丙酮酸2( (胞液胞液)

20、)己糖激酶己糖激酶磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2 2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸22ADP 2ATP丙酮酸激酶丙酮酸激酶2 NAD+2 NADH+H+ADPATPADPATP脱氢酶2ATP2ADP糖酵解糖酵解1分子葡萄糖（分子葡萄糖（G）6P葡萄糖葡萄糖1消耗消耗 1ATP16P果糖果糖11，62P果果糖糖消耗消耗 1ATP23P甘油醛甘油醛21，32P甘甘油酸油酸产生产生 2 NADH21，32P甘油酸甘油酸23P甘油酸甘油酸产生产生 2ATP2磷酸烯醇式丙酮酸（磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）2丙酮酸丙酮酸产生产生 2ATP糖酵解过程中糖酵解过程中ATPATP的生成的生成（三） 酵

21、解的生理意义 可以使有机体在不能获得充足的氧或缺氧的情况下获得能量，如家畜在使重役或运动太快时所需能量大增，糖的分解太快，氧气供应不足，此时肌肉活动需要依靠糖酵解供能。 某些组织，如成熟的红细胞在有氧时也成熟的红细胞在有氧时也进行酵解供能进行酵解供能。 但是，这种方式供能毕竟有限，故1 mol葡萄糖所净生成的ATP数量为 2 mol。 这很可能是生物氧化的进化过程在生物体内的表现。 例如，在远古时期氧气不足，到后来由于光合作用盛行导致氧气大量增加，这时就出现了有氧氧化。（四） 丙酮酸的去路 在无氧条件下，糖酵解若要继续进行，必须要有NAD+的存在。 因为糖酵解过程中唯一的氧化还原反应，即有3-

22、磷酸甘油醛由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化生成1，3-二磷酸甘油酸中需要NAD+ 。 而NAD+由NADH再生而来。 1生成乳酸 丙酮酸+ NADH + H+ 乳酸 + NAD+ 可逆反应， 由乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase)催化； 乳酸脱乳酸脱氢酶氢酶 此为厌氧酵解中丙酮酸的去路。 在一些厌氧微生物的发酵中，或在高等生物细胞（如活动旺盛的肌肉细胞）中，如剧烈运动而暂时缺氧、呼吸、循环系统机能障碍暂时供氧不足时常常发生。 这个反应可以为无氧条件下糖酵解的继续进行提供NAD+ 。 总反应式： 葡萄糖+2Pi+2ADP 2乳酸+2ATP+2H2O2 生成醇 丙酮酸脱羧酶 丙酮酸乙

23、醛+ CO2 TPP+ 醇脱氢酶 乙醛 + NADH + H+ 乙醇 + NAD+ 其总的反应式： 葡萄糖+2Pi+2ADP+2H+ 2乙醇+2ATP+2H2O+2CO2 丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶 在酵母、真菌以及高等植物中，则常常发生这种反应，从而为无氧条件下糖酵解的继续进行提供NAD+。 在面包制作时，利用此过程中产生的二氧化碳使面包发起来。而在酿酒时，如果有氧存在，由于乙醛会被氧化成乙酸，结果酿酒不成反而得到醋。 3 生成乙酰CoA （后叙） （五） 酵解与发酵 1酵解 酵解即酶将葡萄糖分解成丙酮酸并伴随产生ATP的过程。 它是动物、植物、微生物细胞中葡萄糖分解产生能

24、量的共同代谢途径。 2发酵(fermentation) 厌氧有机体（如酵母或其它微生物）将糖酵解中生成的NADH中的氢交给丙酮酸脱羧生成的乙醛而得到乙醇的过程，即酒精发酵、乙醇发酵或生醇发酵。 若将氢交给丙酮酸而生成乳酸，则为乳酸发酵。（参考） 现在对酵解的定义： 葡萄糖或有机物降解产生ATP的过程，其中有机物既可以作为电子的供体，也可以作为电子的受体。 由于产物不同，又可以将发酵分为乙醇发酵、乳酸发酵等。（六） 糖酵解的调控 在整个糖酵解过程中，有3个不可逆反应，它们是糖酵解的限速步骤（或关键步骤），其反应速度可以决定整个代谢途径的速度，因而催化这3个反应的酶也叫限速酶。 这3个酶分别是己糖

25、激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶。1磷酸果糖激酶的调控 该酶是糖酵解过程中最关键的限速酶。 （1） ATP既是其底物，也是其别构调节物 高浓度的ATP导致该酶与6-磷酸果糖之间的亲和力下降，酶几乎没有活性。 ATP和调节位点的结合与其和催化位点的结合不同。 此抑制作用可被AMP所逆转。 活性部位对ATP的亲和力高，而别构部位对ATP的亲和力则低。 （2） 柠檬酸可以导致ATP对酶的抑制作用增强 柠檬酸的含量升高，表明体内用于生物合成的前体碳骨架过剩。 此时葡萄糖就不能进一步酵解。 这是一种别构抑制。 （3） 脂肪酸与NADH别构抑制磷酸果糖激酶 （4） H+抑制磷酸果糖激酶 这可以防止肌肉中产生

26、过量的乳酸而使血液产生酸中毒。（5） 2，6-二磷酸-D-果糖（F-2,6-Bp）是该酶有效的别构活化剂 2，6-二磷酸-D-果糖可以增强该酶与6-磷酸果糖之间的亲和力，从而消除ATP对该酶的抑制效应，使酶活化。 关于2，6-二磷酸-D-果糖的生成与水解 磷酸果糖激酶2 F-6-P + ATP F-2,6-BP + ADP 果糖二磷酸酶2 F-2,6-BP + H2O F-6-P + Pi 这两个酶由相同的多肽链（分子量为53，000）组成，差别在于多肽链内的一个特殊位点上丝氨酸残基的磷酸化与否，具体来说，磷酸果糖激酶2为非磷酸化形式，而果糖二磷酸酶2则为磷酸化形式。 现在将这种酶叫做前后酶或

27、双功能酶。 2己糖激酶的调控 当磷酸果糖激酶被抑制时，则6-磷酸果糖从而6-磷酸葡萄糖的含量得以累积增加，导致己糖激酶的活性被别构抑制，糖酵解的速度也就下降。 一般讲，己糖激酶可以被产物抑制，与糖的分解代谢有关， 而葡萄糖激酶不被产物抑制，与糖的合成代谢有关。3丙酮酸激酶的调控 （1）1，6-二磷酸果糖（F-1,6-BP）可以导致该酶的活化 这种调控与磷酸果糖激酶的催化作用相协调，导致糖酵解过程的加速进行。 （2）丙氨酸可以别构抑制该酶的活性 此乃生物合成前体过剩的信号。 （3）能量多时，ATP可以别构抑制肝中该酶的活性 （4）长链脂肪酸、脂酰CoA能够抑制该酶的活性 （5）1，6-二磷酸果糖

28、存在时，琥珀酰CoA对该酶有强烈的抑制作用 （6）极低浓度的Cu2+也抑制该酶的活性二 糖的有氧氧化 糖的酵解过程产生的能量很有限，有机体所需要的能量主要来自糖的有氧分解，而以无氧酵解为补充。 糖的有氧分解为无氧酵解的延续，如无氧或厌氧时丙酮酸只能够代谢生成乳酸，而在有氧时则丙酮酸可以最终代谢生成H2O和CO2。 这个过程可以人为地分成以下三个阶段。（一） 糖的酵解是其第一个阶段 如前所述，在胞液中进行。 （二） 丙酮酸进入线粒体后转变为乙酰CoA 此反应由丙酮酸脱氢酶（系）催化 。CH3CCOOHO+ HS-CoANAD+CH3COSCoA+CO2NADH丙酮酸脱氢酶系丙酮酸辅酶A乙酰辅酶A

29、丙酮酸脱氢酶（系）丙酮酸脱氢酶（系） 丙酮酸脱氢酶（系）是一个非常复杂丙酮酸脱氢酶（系）是一个非常复杂的多酶体系，主要包括的多酶体系，主要包括丙酮酸脱羧酶（丙酮酸脱羧酶（E E1 1）、）、（二氢）硫辛酸乙酰转移酶（二氢）硫辛酸乙酰转移酶（E E2 2）和二氢硫）和二氢硫辛酸脱氢酶（辛酸脱氢酶（E E3 3）这三种酶，还有六种这三种酶，还有六种辅因辅因子（子（TPPTPP、硫辛酸、硫辛酸、FADFAD、NADNAD+ +、CoACoA和和MgMg2+2+）。 这三种酶分别催化如下反应。 丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶(TPP+) 丙酮酸 CH3CHOH-TPP +CO2 CH3CHOH-TPP,即焦

30、磷酸硫胺素半缩乙醛，也叫活性乙醛 二氢硫辛酸乙酰转移酶二氢硫辛酸乙酰转移酶CH3CHOH-TPP硫辛酸 乙酰二氢硫辛酸TPP+ 二氢硫辛酸乙酰转移酶二氢硫辛酸乙酰转移酶 乙酰二氢硫辛酸 HSCoA 二氢硫辛酸CH3CO-ScoA 二氢硫辛酸脱氢酶二氢硫辛酸脱氢酶 二氢硫辛酸 FAD 硫辛酸 FADH2 二氢硫辛酸脱氢酶二氢硫辛酸脱氢酶 NAD+ + FADH2 FAD + NADH+H+ 上述反应中，丙酮酸脱羧酶催化的反应是不可逆的丙酮酸脱羧酶催化的反应是不可逆的。 在脊椎动物中，丙酮酸脱氢酶（系）的调控为别构调节和共价修饰调节。 （1） 可以受到高的ATP/ADP、NADH/NAD+、乙酰C

31、oA/HS-CoA的别构抑制，这表明体内能量足够。 另外，还受到脂肪酸的别构调节。 （2） 在整个丙酮酸脱氢酶（系）中，还有二个调节蛋白。 一个是蛋白激酶蛋白激酶，它可以使丙酮酸脱羧酶发生磷酸化而失活，但它本身可为ATP别构激活。 另一个是蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶，它可以将丙酮酸脱羧酶上带的磷酸基团除去而使丙酮酸脱羧酶激活。（三） 三羧酸循环 又被称为柠檬酸循环和Krebs循环。 1 三羧酸循环过程(1) 乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸的合成 乙酰辅酶A（acetyl CoA）与草酰乙酸（oxaloacetate）缩合成柠檬酸（citrate）,反应由柠檬酸合酶（citrate synthase

32、）催化。 此反应是不可逆的。 柠檬酸带有三个羧基，故此循环被叫做三羧酸循环。柠檬酸合（成）酶可以催化氟乙酰CoA与草酰乙酸反应生成氟柠檬酸，而氟柠檬酸可以抑制顺乌头酸酶。这是合成杀虫剂或灭鼠药的原理。(2) 柠檬酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸 此反应是由顺乌头酸酶(aconitase)催化的异构化异构化反应； 由两步反应构成: (1) 脱水反应；(2) 水合反应。 此反应是可逆的。(3)异柠檬酸氧化脱羧转变为-酮戊二酸异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶（Isocitrate dehydrogenase）作用下，氧化脱羧而转变成 -酮戊二酸（ - Ketoglutarate）。实际过程 异柠檬酸+ NAD(P

33、)+ 草酰琥珀酸+NAD(P)H+H+， 草酰琥珀酸-酮戊二酸+ CO2； 此反应由异柠檬酸脱氢酶催化 ,是可逆的。它是三羧酸循环中的第一个氧化还原反应。（4） -酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰 CoA 在-酮戊二酸脱氢酶复合体（或系）催化下，-酮戊二酸氧化脱羧生成 琥珀酰CoA(succinyl-CoA)； 此反应是不可逆的。它是三羧酸循环中的第二个氧化还原反应。 其酶活性不受磷酸化作用的共价修饰调节。 - -酮戊二酸脱氢酶系与丙酮酸脱酮戊二酸脱氢酶系与丙酮酸脱氢酶系相似氢酶系相似, , 包括包括 - -酮戊二酸脱羧酶酮戊二酸脱羧酶（E E1 1）、琥珀酰转移酶（）、琥珀酰转移酶（E E2 2）

34、和二氢硫）和二氢硫辛酸脱氢酶（辛酸脱氢酶（E E3 3），以及六种辅因子），以及六种辅因子（ TPP TPP、硫辛酸、硫辛酸、FADFAD、NADNAD+ +、CoACoA和和MgMg2+ 2+ ）组成，但是在酶的结构和功能）组成，但是在酶的结构和功能上则有些差别。上则有些差别。（5） 琥珀酰CoA合成酶催化底物水平磷酸化反应 在琥珀酰CoA合成酶催化下，琥珀酰CoA的高能硫酯键水解与GDP磷酸化偶联，生成琥珀酸、GTP和辅酶A。 这是三羧酸循环中唯一直接生成高能磷酸键的反应。 琥珀酰CoA合成酶也叫琥珀酸硫激酶。 此反应是可逆的，它是三羧酸循环中的底物水平磷酸化反应。 所生成的GTP可以通过

35、如下反应生成ATP。 二磷酸核苷激酶 GTP+ADPATP+GDP（6）琥珀酸脱氢生成延胡索酸 此步反应由琥珀酸脱氢酶催化，其辅酶是FAD。 此反应是可逆的。 它是三羧酸循环中的第三个氧化还原反应。 琥珀酸脱氢酶是三羧酸循环中唯一掺入到线粒体内膜的酶。（7） 延胡索酸加水生成苹果酸 延胡索酸酶催化此步反应反应是可逆的。（8） 苹果酸脱氢生成草酰乙酸 苹果酸脱氢酶催化此步可逆反应，辅酶是辅酶是NAD+。 这是三羧酸循环中的第四个氧化还原反应。Krebs的照片2三羧酸循环中ATP的生成 在三羧酸循环中，每次循环共有四次脱氢反应，一次底物水平磷酸化过程，它们分别是： (1)异柠檬酸+ NAD(P)+

36、草酰琥珀酸+NAD(P)H+H+， 草酰琥珀酸-酮戊二酸+ CO2； 由异柠檬酸脱氢酶催化； （2） -酮戊二酸+HSCoA+ NAD+NADH+H+琥珀酰CoA +CO2， 由-酮戊二酸脱氢酶催化 ； （3） 琥珀酸+FAD延胡索酸+FADH2，由琥珀酸脱氢酶催化 （4） 苹果酸+NAD+草酰乙酸+NADH+H+， 由苹果酸脱氢酶催化 （5） 琥珀酰CoA+Pi+GDP琥珀酸+GTP； 由琥珀酸硫激酶（或琥珀酰CoA合成酶）催化 ； 其中，3对电子由NADH进入呼吸链传递到氧生成水，期间可以产生3*3=9个ATP， 而1对电子由FADH2进入呼吸链传递到氧生成水，此过程中可以产生2个ATP。

37、 另在底物水平磷酸化过程中，又由GTP转化生成1个ATP。故整个三羧酸循环中共生成12个ATP。1分子葡萄糖在有氧条件下彻底氧化供能，则其在整个代谢过程中产生ATP的情况 （1）在糖酵解阶段，1分子葡萄糖可以转变为2分子丙酮酸，并产生2分子ATP与2分子NADH。 （2）糖酵解是在胞液中进行的，其所产生的丙酮酸需要由胞液进入线粒体，并在线粒体中经丙酮酸脱氢酶的催化作用发生如下反应 CH3COCOOH+HSCoA+ NAD+丙酮酸脱氢酶 NADH+H+ CO2+CH3CO-SCoA 则2分子丙酮酸经此反应可以生成2分子NADH和2分子CH3CO-SCoA。 这里的NADH可以将电子经呼吸链传递到

38、氧生成水，此过程中可以产生3*2=6个ATP。 而这里的CH3CO-SCoA则可以进入三羧酸循环，共可以产生2*（3*3+1+2）=24分子ATP。（3）在糖酵解阶段产生的NADH在线粒体外并不能够将电子传入呼吸链。 它必须在不同的组织内经过苹果酸穿梭苹果酸穿梭或磷或磷酸甘油穿梭而转变为线粒体内的酸甘油穿梭而转变为线粒体内的NADH或或FADH2，然后再由此NADH或FADH2将电子经呼吸链传递到氧生成水，并在此过程中产生3*2=6个ATP或2*2=4分子ATP。 所以，1分子葡萄糖在有氧条件下彻底氧化可以产生（2+4或6）+（2*3）+（24）=36或38分子ATP。3三羧酸循环的生物学意义

39、 （1）提供的能量最多。 （2）它是糖、脂、蛋白质三大物质转化的枢纽。 （3）所产生的各种重要产物对其它化合物的生物合成有重要意义，能够提供多种化合物的碳骨架以满足细胞生长等生命活动的需要。4三羧酸循环的调控 （1）柠檬酸合成酶 关键反应，调节总的反应速度。 a. 对乙酰CoA的浓度最敏感； b. NADH、NADPH以及琥珀酰CoA、长链脂酰CoA会增强酶对乙酰CoA的Km。 c.草酰乙酸也有调节作用，因为在细胞内草酰乙酸的浓度较低。 d.柠檬酸会对该酶进行产物抑制。 （ATP一般认为也有此作用。但是也有学者认为不行，因为Mg-ATP是ATP在线粒体中的主要形式，而这种形式并不能抑制该酶。）

40、（2）异柠檬酸脱氢酶 a. NADH可以对该酶进行产物抑制可以对该酶进行产物抑制，NADH/NAD+升高时，酶活性被抑制； b. ATP可以抑制该酶的活性，而可以抑制该酶的活性，而ADP则则别构激活之别构激活之，ATP/ADP升高时，酶活性被抑制； c. Ca2+也可以激活之。（3） a-酮戊二酸脱氢酶 a. NADH、琥珀酰、琥珀酰CoA可以产物抑制该可以产物抑制该酶的活性酶的活性； b. 其纯化的酶在ATP/ADP升高时，酶活性被抑制，但是其生理意义还未确定； c. Ca2+也可以激活之。5. 草酰乙酸的回补 三羧酸循环的中间产物若离开循环而为其它代谢提供原料，则会影响三羧酸循环的进行，乃

41、至于停止。 因此，必须回补中间产物。 a. 丙酮酸的羧化 丙酮酸羧化酶 丙酮酸+CO2+ATP 草酰乙酸 + ADP + Pib. 磷酸烯醇式丙酮酸的羧化 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶磷酸烯醇式丙酮酸 + CO2 草酰乙酸 + Pi 第三节 乙醛酸循环 此循环存在于许多植物、微生物体内中此循环存在于许多植物、微生物体内中，但是不存在于动物体内不存在于动物体内。 该循环也从草酰乙酸与乙酰CoA缩合生成柠檬酸开始，但中途到异柠檬酸后发生变化。 异柠檬酸裂解酶 异柠檬酸 琥珀酸+乙醛酸 异柠檬酸裂解酶催化异柠檬酸产生乙醛酸和琥珀酸 经苹果酸合（成）酶催化，乙醛酸在水的存在下接受乙酰辅酶A的乙酸。+ +-

42、然后，又与三羧酸循环一样由苹果酸转变得到草酰乙酸，从而进入下一轮循环。 由于乙醛酸是该循环的中间产物，故将此循环叫做乙醛酸循环此循环叫做乙醛酸循环。 乙醛酸循环的总反应式为： 2CH3CO-SCoA+2H2O+NAD+ 琥珀酸+2HSCoA+NADH+H+乙醛酸循环的反应。由异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶催化的反应（红色）绕过了三羧酸循环中从异柠檬酸到苹果酸之间的 5个反应。+乙醛酸乙醛酸循环的生物学意义 （1）以二碳物起始，可以合成二羧酸和三羧酸。 只需要补充少量四碳二羧酸为只需要补充少量四碳二羧酸为“引物引物”，即可即可无限制合成四碳物、六碳物来补充三羧酸循环的中无限制合成四碳物、六碳物来补

43、充三羧酸循环的中间物。间物。 因此，可以将该循环看作三羧酸循环的支路。（2）丙酮酸乙酰CoA的反应是不可逆的，故在动物体内由脂肪合成糖较困难，但但是在植物体内却可以。是在植物体内却可以。 琥珀酸从乙醛酸循环体进入线粒体，再经延胡索酸苹果酸后出线粒体而进入细胞质，然后再转变为草酰乙酸而进入糖异生途径。与乙醛酸循环有关的细胞内的反应脂质体乙醛酸循环体 线粒体 胞浆 糖异生琥珀酸第四节 磷酸戊糖途径 一磷酸戊糖途径的过程 此途径为一条糖代谢支路。 磷酸戊糖途径磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway or phosphogluconate pqthway)，又叫做又叫做PPP

44、，是由于该途径中有许多中间物是磷酸戊糖。 该途径又叫做磷酸葡萄糖酸途径 (hexose monophosphate shunt pathway ,HMP)，因为磷酸葡萄糖酸是该途径的早期特征中间物。 该途径又称磷酸己糖支路，是由于从磷酸己该途径又称磷酸己糖支路，是由于从磷酸己糖开始该途径与糖开始该途径与EMP途径分支。途径分支。 （一）6-磷酸葡萄糖向5-磷酸核酮糖的转变 16-磷酸葡萄糖 + NADP+ 6-磷酸葡萄糖酸内酯 +NADPH+H+ 此反应由6-磷酸葡萄糖脱氢酶催化，不可逆不可逆；6-磷酸葡萄糖酸内酯+H2O 6-磷酸葡萄糖酸 此反应由内酯酶催化，可逆可逆。无酶时也可以自发进行；

45、 2. 6-磷酸葡萄糖酸+NADP+ 5-磷酸核酮糖 + NADPH + H+ + CO2 此反应由6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶催化，不可逆不可逆。（二）磷酸戊糖的互变 3. 磷酸核糖异构酶 5-磷酸核酮糖 5-磷酸核糖 反应可逆反应可逆。 4. 5-磷酸核酮糖5-磷酸木酮糖 此反应由磷酸戊酮糖差向异构酶（即表异构酶）催化。可逆可逆。（三）磷酸戊糖向6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛转变 5. 转酮（醇）酶 5-磷酸木酮糖+5-磷酸核糖 7-磷酸（景天）庚酮糖+ 3-磷酸甘油醛 此转酮反应可逆此转酮反应可逆。将酮糖上的二碳单位（羟乙醛基）转到醛糖的第一位碳上。 该酶以该酶以TPP+为辅酶为辅酶。 6. 7

46、-磷酸（景天）庚酮糖+ 3-磷酸甘油醛 转醛（醇）酶转醛（醇）酶 4-磷酸赤藓糖+6-磷酸果糖 此转醛反应由转醛（醇）酶催化此转醛反应由转醛（醇）酶催化，可逆。不需要辅助因子。 7. 4-磷酸赤藓糖+5-磷酸木酮糖 6-磷酸果糖+ 3-磷酸甘油醛 此转酮反应由转酮酶催化，可逆此转酮反应由转酮酶催化，可逆。HMP途径途径化学计量化学计量氧化阶段66-磷酸葡萄糖+12NADP+6H2O 65-磷酸核酮糖+6CO2+12NADPH+12H+非氧化重排阶段65-磷酸核酮糖+H2O 56-磷酸葡萄糖总反应式6-磷酸葡萄糖+12NADP+7H2O 6CO2+12NADPH+12H+H3PO4二磷酸戊糖途径

47、的调控二磷酸戊糖途径的调控 1 1 磷酸戊糖途径的速度主要由磷酸戊糖途径的速度主要由NADPH/ NADPH/ NADPNADP+ + 的比例的比例来调节关键酶的活性。来调节关键酶的活性。 2 2磷酸戊糖途径的速度还受生物体对核糖磷酸戊糖途径的速度还受生物体对核糖-5-5-磷酸磷酸、ATPATP和和NADPHNADPH不同需要的调节。不同需要的调节。 机体需要机体需要核糖核糖-5-5-磷酸磷酸NADPHNADPH时时，大量的葡萄糖大量的葡萄糖-6-6-磷酸转变为果糖磷酸转变为果糖-6-6-磷酸磷酸，果糖，果糖-6-6-磷酸转变为甘油醛磷酸转变为甘油醛-3-3-磷酸（糖磷酸（糖酵解途径）；酵解途

48、径）； 果糖果糖-6-6-磷酸和甘油醛磷酸和甘油醛-3-3-磷酸在转酮磷酸在转酮酶和转醛酶作用下，生成核糖酶和转醛酶作用下，生成核糖-5-5-磷酸（戊磷酸（戊糖磷酸途径的逆反应）。糖磷酸途径的逆反应）。 机体需要机体需要核糖核糖-5-5-磷酸磷酸=NADPH=NADPH时时，戊戊糖磷酸途径的氧化阶段处于优势，既提供糖磷酸途径的氧化阶段处于优势，既提供NADPHNADPH，又提供核糖又提供核糖-5-5-磷酸。磷酸。 机体需要机体需要NADPH NADPH 核糖核糖-5-5-磷酸磷酸，磷磷酸戊糖途径活跃，产生大量的酸戊糖途径活跃，产生大量的NADPHNADPH用于生用于生物合成（如脂肪酸的合成和糖

49、异生），磷物合成（如脂肪酸的合成和糖异生），磷酸戊糖途径产生的果糖酸戊糖途径产生的果糖-6-6-磷酸和甘油醛磷酸和甘油醛- -3-3-磷酸也进入糖异生途径。磷酸也进入糖异生途径。三 生物学意义 1主要的生物学意义之一在于可以得到NADPH。 NADPH可以满足组织中合成代谢的需要，如脂肪酸、胆固醇等物质合成的需要。 另外，NADPH还可以使红细胞中的还原型谷胱甘肽的再生，对维持红细胞的还原性有重要作用。2主要的生物学意义之二在于可以得到磷酸戊糖以参加核酸代谢。3该途径是植物光合作用中由CO2合成葡萄糖的部分途径。4该途径在线粒体外的细胞浆中进行该途径在线粒体外的细胞浆中进行。 5NADPH竞争

50、性抑制6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶。 6其非氧化阶段中磷酸戊糖的转变主要受控于底物浓度。第四节 糖的异生 糖的异生以非糖物质（如乳酸、甘油、丙酮酸、某些氨基酸等）为原料生成葡萄糖或糖原的过程。主要在肝中进行。 一糖异生途径的过程 其过程基本上是糖酵解的逆过程，但在3个不可逆步骤处需另行解决。 (一)丙酮酸羧化支路 丙酮酸羧化酶 丙酮酸+CO2+ATP 草酰乙酸+ADP+Pi丙酮酸羧化酶催化的反应是不可逆反应丙酮酸羧化酶催化的反应是不可逆反应 丙酮酸羧化酶存在于线粒体内丙酮酸羧化酶存在于线粒体内，生生物素为其辅助因子。物素为其辅助因子。 它为同型四聚体，分子量500，000，每个

51、亚基结合一个生物素每个亚基结合一个生物素。 丙酮酸羧化酶是别构酶，丙酮酸羧化酶是别构酶，乙酰CoA、脂酰CoA、ATP对它有激活作用。 而乙酰CoA、长链脂肪酸、ATP对丙酮酸激酶则有抑制作用。 草酰乙酸是糖异生与三羧酸循环的中间产物。 它可先转变为苹果酸后通过苹果酸可先转变为苹果酸后通过苹果酸穿梭从线粒体内转运到线粒体外穿梭从线粒体内转运到线粒体外，或通或通过谷草转氨酶的作用转变为天冬氨酸后过谷草转氨酶的作用转变为天冬氨酸后从线粒体内转运到线粒体外从线粒体内转运到线粒体外。 到线粒体外后再进行糖异生的后续到线粒体外后再进行糖异生的后续反应。反应。 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 草酰乙酸+GTP 磷酸烯醇式丙酮酸+GDP+CO2 在体内该反应是不可逆的在体内该反应是不可逆的，但在体外，分离但在体外，分离的磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶却可以催化该反应的的磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶却可以催化该反应的逆反应逆反应。 草酰乙酸的变化可以调节糖异生的速度，其Km=9uM，而生理性胞液