第十二章--糖的合成代谢.ppt

1、第十二章 糖的合成代谢 生物界利用的自由能绝大部分都来自太阳能，光合作用是自然界将光能转变为化学能的主要途径。地球上每年由植物捕获的太阳能至少产生4.210 17千焦耳自由能。 光合细胞捕获光能(太阳能)并将其转变为化学能的过程，即绿色植物或光合细菌利用光能将CO2转化成有机化合物的过程称为光合作用。 光合作用的基本公式可表达如下：,(CH2O)代表糖，绿色植物中光合作用在叶绿体中进行。 绿色植物以H2O为氢(电子)供体还原CO2，同时产生O2。其总反应为：,光合细菌利用其他化合物代替水作为电子供体，如硫细菌，以硫化氢为氢供体。其光合作用的总反应为：,用乳酸为氢供体的光合细菌，其光合作用的总反

2、应为：,Cornelis Van Niel提出光合作用可写成以下通式：,他还提出高等植物光合作用产生的O2不是来源于CO2，而是来源于H2O。1941年用含同位素18O的水作实验，证明了这一论断。,第一节 光合作用 一、光合作用的两个阶段 1939年英国剑桥大学Robert Hill发现叶绿体在光照下，只要有适当的电子受体即可产生氧。他的实验证明光合作用产生O2，并不需要CO2。 光合作用的第一阶段段光反应，第二阶段是不需要光的酶促反应或称暗反应。 光反应是由光合色素将光能转变成化学能并形成ATP和NADPH的过程。暗反应是利用ATP和NADPH的化学能使CO2还原成糖或其他有机物的一系列酶促

3、过程。暗反应并不是指只能在夜间或暗处进行的反应。只是不需要光而已，在白天也可以进行糖的合成。,二、叶绿体的结构及组成 叶绿体是光合作用的器官。典型的叶绿体有5um长，像线粒体由外膜和内膜组成，两膜之间有间隙。膜包着基质，基质内含有许多可溶性酶，可以参加暗反应。使CO2还原成葡萄糖。 基质内还有膜系统排列折叠成片层，片层间隔扩大成扁平盘状胞囊，为类囊体。它们彼此垛叠排列成基粒，基粒之间由片层连接。与线粒体类似，膜上含有大量可进行光反应的光合色素。 细菌无叶绿体，它们的光合色素存在于类似的片层结构中。,第二节 光反应 一、光合色素 绿色植物叶绿体中接受光能的主要分子是叶绿素，包括叶绿素a和叶绿素b

4、； 另一类为类胡萝卜素，包括胡萝卜素和叶黄素。 细菌和藻类中还有藻胆色素、叶绿素c等。 叶绿素是一类含镁的卟啉衍生物，其一个带羧基的侧链与一个含有20个碳的植醇形成酯。,叶绿素b和叶绿素a的区别在于吡咯环II上是甲酰基或是甲基,这种具有双键和单键交替的分子称为多烯类化合物，在可见光谱区有很强的吸收带。 叶绿素a或b的摩尔吸收系数在有机化合物中最大，大于l0 5cmmoIL。 叶绿素a和b最高吸收率的位置不同，叶绿素b在460nm，叶绿素a在680nm的位置。 叶绿素a和细菌叶绿素a都是光合色素，叶绿素b和类胡萝卜素所吸收的光也能传递给叶绿素a。 胡萝卜素还能保护叶绿素a，使免于受光氧化。,胡萝

5、卜素也是一个含有11个双键的不饱和化合物，有12个同分异构体，常见的是胡萝卜素。 叶黄素是胡萝卜素衍生的二元醇。它们的结构式如下：,二、光反应系统 Robert Emerson和William Arnold测定绿藻细胞光照后氧的释放，发现在充足的光线照射下，每2500个叶绿素分子放出1分子氧。 因此推测几百个叶绿素分子吸收光量子后将其汇集到反应中心的叶绿素分子上，只有这一小部分位于反应中心的叶绿素分子参与光反应，将光能转变成化学能。 这种由色素分子装配成的系统能把吸收的能量汇集到光反应中心，称光系统。,1光系统I和光系统II 本来光量子效率(即每个光量子经光合作用产生氧的摩尔数)应该与波长无关

6、，但是实验证明，不同波长光谱的光量子效率不同。 虽然叶绿素在波长为680一700nm仍有强的吸收，但是光合作用效率在680nm以上时急剧下降，这现象称为红降 。 在波长700nm和波长600nm的光照射下，光合作用的速度要比分别在600nm和700nm波长下照射下所产生的光合作用总和还要大，称为增效现象。 由上述二个现象说明，有两个光系统参加光合作用反应，称为光系统I及II。所有放氧的光合细胞中，叶绿体的类囊膜中都包埋着光系统I和光系统II。,（1）光系统II包括一个捕获光能的复合体，一个反应中心核及一个产生氧的复合体。 捕获光能的复合体含有约200个叶绿素分子与20多个蛋白质亚基跨膜组装而成

7、。 反应中心含有50个叶绿素a，激发电子的光能就是由这些叶绿素天线流入反应中心，称P680，P指色素，680是最大吸收波长nm。,产生氧复合体中的水裂解酶分子内有4个锰离子组成簇，位于催化中心，有5种氧化状态。 从S0S1S2S3S4，每步失去一个电子，氧化状态逐步升高，S0、S1、S2是较低的氧化态，可能是立体烷型4个Mn原子与4个氧原子结合，S2与2分子H2O结合形成S3，进一步去电子，成为与6个氧原子结合的S4，它是高氧化态的金钢烷型。S4失去O2又恢复成S0。 光系统II P680是强氧化剂通过Z中间物使Mn中心失去四个电子，Mn中心作为能荷的积聚形式，可断裂2分子水得到4个电子形成O

8、2，每次循环释放4个质子。,（2）光系统I 是一个跨膜复合物，含有11个不同的蛋白质亚基，由约100个叶绿素分子组装而成，光反应中心具有1个叶绿素a分子。光合系统I在光波长700nm附近被激活，不产生氧，而是与一系列电子载体连接，最终产生NADPH。 这两个光系统互相补充，光系统I由700nm波长的光照射，最终产生NADPH。光合系统II被较短波长680nm激活，导致O2的生成。不放氧的光合细菌仅含有光系统I。 这两个光系统是电子强化器，利用光能推动电子逆电势梯度从H2O到NADP传递。,三、光反应的电子传递链(光合链) 光能被光反应中心周围的天线色素分子吸收，汇集到反应中心，使色素P由基态提

9、高到激发态用P*表示，通常吸收一个光子可以使一个电子的能量提高1V，因此P*是强还原剂，有很强的供电子能力。 当把电子供给适当的受体后，缺失电子的P是一个强氧化剂，极易接受电子。 被激发的电子沿着类囊体膜中一系列电子传递体转移，组成光合链。 光合链中能量变化有两次起落。涉及两个光合系统。可分成两个阶段。,第一阶段：光刺激P680或激发态P680*仅用几微微秒的时间P680*的电子传给脱镁叶绿素，这是一个Mg被H取代的叶绿素a，反应中心变成正游离基P680。 光合系统IIP680是强氧化剂，通过中间物Z从水中抽出电子，传给质体醌(缩写为QH2)。H2O和质醌的标准氧化还原电势分别为0.82V及0

10、.1V，它们的电势差为0.72V。电子之所以能逆流而上，是因为光系统II吸光能使680nm光照下电子具有1.82V ，足够克服0.72V的电势能障碍。Mn将电子从水中抽出，在形成O2的过程中起着关键的作用。 质体醌类似于泛醌，可接受氢成还原型：,电子从脱镁叶绿素到质体醌有两个中间受体QA和QB，电子先传送到QA，再到QB，再从QB传递到质体醌。QA和QB是两种结合有质体醌的蛋白质。 QH2提供电子给细胞色素bf。 细胞色素bf复合物具有4个亚基；34000细胞色素f，23000细胞色素b563，它具有二个血色素，由分子量为20 000的FeS蛋白和分子量为17 000多肽链组成。 其作用与生物

11、氧化中细胞色素b类似，起质子泵的作用。,细胞色素bf催化电子从QH2到质体蓝素(缩写为PC)，与此同时将质子泵入类囊体膜内。细胞色素bf中的铁硫蛋白参加质蓝素的还原作用，在电子传递同时驱动基质中的质子泵入膜内。 质蓝素是一个分子量为11000的水溶性蛋白质，它的氧化还原中心有Cu2，它与蛋白质中的半胱氨酸、甲硫氨酸和两个组氨酸残基螯合，造成二价铜平面的几何形状扭变，使铜易于转变成氧化态从1至2。 总之，在第一阶段中，光合系统II从水得到电子产生氧，并通过细胞色素bf产生质子梯度和还原质蓝素。,第二阶段：光合系统I像光合系统II一样，经光诱发成激发态，并使一个电子从P700*射出，激发态的反应中

12、心变成P700。 P700是弱氧化剂，它从还原的质蓝素捕获电子变成P700，可再一次激发出电子。受体A0接受P700*发出的电子成为A0，它是十分强的还原剂E1.1V。高势能的电子从A0转移至A，然后转至铁硫中心(FeS)，再至铁氧还蛋白(缩写为Fd)。铁氧还蛋白是12 000的水溶性蛋白，含有一个Fe2S2中心来。电子从铁氧还蛋白通过铁氧还蛋白NADP+还原酶传至NADP形成NADPH， 因为铁氧还蛋白NADP+还原酶以FAD为辅基，所以缩写为Fp。 整个光反应是在膜与基质的界面上进行，因此将质子摄入形成NADPH，使跨类囊膜的质子梯度进一步升高。,四、光合磷酸化 由光照引起的电子传递与磷酸

13、化作用相偶联而生成ATP的过程称光合磷酸化。 1、光合磷酸化的形成： 按照电子传递的方式可将光合磷酸化分为 非循环式的光合磷酸化 循环式的光合磷酸化,(1)非循环式光合磷酸化： 光照后，激态叶绿素分子P680*从H2O得到电子传递给NADP，电子流动经过两个光系统，两次激发生成的高能电子，呈Z字形传递。 电子传递过程中产生的质子梯度，驱动ATP的形成，因此非循环光合磷酸化包括光合系统I和光合系统II，其产物除ATP外还有NADPH(绿色植物)或NADH(光合细菌)，可用下列各式表示： 绿色植物,(2)循环式光合磷酸化： 电子流动的途径从光合系统I P700至铁氧还蛋白后又传给细胞色素bf复合物

14、，而不给NADP，然后细胞色素bf又将电子通过质蓝素传给光合系统I P700。 电子循环流动，产生质子梯度，从而驱动ATP的形成。这种形式的光合磷酸化称为循环光合磷酸化。 在整个过程中，只有ATP的产生不伴随着NADPH的生成。光合系统II也不参加，所以也不产生O2。当植物没有NADP时就发生循环光合磷酸化。,2光合磷酸化的机制： 1966年，Andre Jagendorf实验证明，即使在暗处叶绿体也可以形成ATP，只要在类囊膜两侧形成人为的pH梯度。即将叶绿体在pH4缓冲液中泡12小时，然后迅速与含ADP、Pi的pH 8缓冲液混合，叶绿体基质的pH迅速升至8、但是类囊体中的pH仍是4，这时发

15、现随着类囊膜两侧pH梯度的消失，同时有ATP形成，见图148，所以提出与氧化磷酸化类似的光合磷酸化的化学渗透学说。 在光合磷酸化中也需要完整的膜，在光激发下H从基质流向类囊膜内形成跨膜质子梯度。ATP酶是在膜外，形成ATP氢质子才流出去。,3叶绿体ATP酶： 催化在叶绿体中合成ATP的酶与线粒体中的ATP酶十分相似。 叶绿体中ATP酶也像门把位于类囊膜外侧。存在于不垛叠的类囊膜中。 ATP酶可分为CF1和CF0两部分。CF0插在膜中，起质子通道作用，CFl由3、3、亚基组成，、亚基有结合ADP的功能，亚基控制质子流动，亚基与CF0结合，亚基在暗处有抑制催化的功能，限制ATP水解，避免浪费行为。

16、CFl在基质一边，所以新合成的ATP释放到基质中去。CF0至少有三个亚基组成，寡霉素可以抑制ATP酶的活性，从而可以阻断光合磷酸化作用。,4光合磷酸化标准自由能变化：光合作用的总反应式为 形成一分子氧需4个电子，8个光量子。所以6个氧分子共需6848个光量子。 每摩尔光量子含有6.0210 23光量子，不同波长下光量子具有的能量不同，见表141。短波长光能量较大。,若按700nm波长光计算，48个光量子有481708265千焦耳摩尔能量，在标准条件下，1摩尔葡萄糖需花2881千焦耳自由能，因此光合作用能量利用效率为2881/826535。,第三节 暗反应 绿色植物和光合细菌通过光合磷酸化作用将

17、日光能转变成化学能，即NADPH的还原能和ATP的水解能，并以此促进二氧化碳还原成糖。 二氧化碳的固定和还原主要通过光合环，即Calvin循环。由于它的最初产物是3磷酸甘油酸，是含三碳的化合物，因此又称三碳循环。 后来又发现某些热带和亚热带起源的植物中还存在着另一个固定二氧化碳的途径，称为四碳循环。,一、三碳循环(Calvin循环) 1940年Melvin Calvin在单细胞绿藻中作14CO2示踪实验。在几秒钟光照后，用乙醇停止酶的反应，以双向纸层析分离放射性产物，发现C14标记在3磷酸甘油酸的羧基上，进步研究发现CO2与1，5二磷酸核酮糖缩合成6碳化合物，然后迅速裂解成二分子3磷酸甘油酸。

18、 催化这反应的酶是1，5二磷酸核酮糖羧化酶（ Rubisco ）。这个酶位于类囊膜上朝基质一侧。有8个56000大亚基和8个14000小亚基。每个大亚基上有催化和调节位点，小亚基的作用不清楚。 在叶绿体中此酶的含量十分丰富，大约是总蛋白量的60。可能它是自然界含量最丰富的酶。,三碳循环的步骤 (1)第一步是1，5二磷酸核酮糖加CO2合成2羧基3酮基1，5二磷酸核糖中间产物，然后水化形成二醇，在C3上断裂产生一个3磷酸甘油酸和一个负碳离子，后者再质子化形成另个3磷酸甘油酸。,Rubisco酶催化机制是酶的特殊赖氨酸上的氨基加上CO2形成带负电的氨甲酰化合物，它可与二价金属Mg2+或Mn2+形成正

19、电中心，在催化时它似乎作为电子穴起作用。,从第二步到第八步3磷酸甘油酸经一系列酶促反应转化成6磷酸果糖，催化这一系列反应的酶与糖的异生途径相似，不过3磷酸甘油醛脱氢酶在叶绿体中是以NADPH为辅基，而不是NADH， 其反应加下：,从第九步到第十四步是再生1，5二磷酸核酮糖的步骤，由一系列转酮酶和转醛酶催化这些反应，催化酶及反应式与戊糖途径类似，反应如下：,最后是5磷酸核酮糖在磷酸核酮糖激酶的催化下再生成1，5二磷酸核酮糖，ATP是磷酰基的供体。,所以Calvin循环的总反应是：,二、暗反应的代谢调控 暗反应中限速步骤是由核酮糖二磷酸羧化酶催化的CO2固定反应。 此酶是别构酶，因为光照叶绿体产生

20、的三个因素可刺激此酶的活性。 1光照叶绿体后，H经基质流至类囊膜内，使基质的pH升高，经pH7到pH8，刺激酶的活性。 2光照时质子泵入，同时伴随着Cl-1和Mg2+的转移。 Mg2+浓度的升高也刺激酶的催化活件。因为在碱性pH有利于氨甲酰的形成，由Mg2+浓度升高有利于与氨甲酰结合促进催化作用。,3NADPH刺激暗反应，光照光系统I时产生NADPH，可以使反应加速。 4叶绿体中几个酶可由于二硫键的还原而被活化。 还原物是硫氧还蛋白，它是一个分子量为12000的蛋白质，含有相邻的半胱氨酸残基，可氧化成二硫键，又可被铁氧还蛋白催化还原。 在光合作用中，这个蛋白有协调光和暗反应的作用，它可使磷酸核

21、糖激酶活性升高100倍。 因此，虽然固定CO2是暗反应，但是Rubisco的活性间接的受光刺激激活而被调控，暗反应中其他的酶以及ATP合成酶也被光照叶绿体所推动。,三、光呼吸 核糖二磷酸羧化酶还有一个催化O2与二磷酸核酮糖的反应。反应产物是3磷酸甘油酸和磷酸乙醇酸。 氧化反应和羧化反应在同一个活性位点，彼此竞争，在正常大气条件下25的基质中CO2为10umol，而O2为250 umol，但羧化反应活性比氧化反应活性高四倍。,3磷酸甘油酸参加糖的合成。磷酸乙醇酸可转化成甘氨酸或在乙醇酸途径中放出CO2。 植物消耗O2将二磷酸核酮糖转化成CO2的过程称光呼吸。在这过程中，没有ATP或NADPH的生

22、成，因此是一个浪费能量的过程。 O2可以抑制Rubisco固定CO2的活性，因为它与CO2竞争活性位点，这是Rubisco酶不完美的地方，因此现在Rubisco的基因工程就是要改造基因，使其成为没有光呼吸的酶。,四、四碳途径(HatchS1ack途径) 1966年澳大利亚植物生化学家MDHatch和CRSlack发现某些热带或亚热带起源的植物例如甘蔗在14CO2中进行光合作用时，同位素14C首先标记在苹果酸、草酰乙酸、天冬氨酸上。 由于这类植物的光合作用最初产物是四碳二羧酸所以称其为四碳植物。其代谢途径为四碳途径或HatchSlack途径。 后来发现在玉米、高梁、其他禾本科、莎草科中的某些植物

23、也有这一途径。,在上述植物中，有两种叶绿体进行两类循环。在维管束稍细胞中的叶绿体，以三碳循环途径固定二氧化碳，而在叶肉细胞中，主要进行四碳循环。 维管束鞘细胞呼吸放出的CO2可以被叶肉细胞通过四碳途径固定，因此这种植物的特征是利用CO2的效率特别高，其主要反应是：反应由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化。,叶肉细胞经上述反应生成的草酰乙酸被NADPH还原生成苹果酸。,苹果酸通过胞浆的胞间连丝从叶肉细胞转移到维管束细胞中，在苹果酸酶催化下脱羧生成丙酮酸和CO2。,CO2在维管束鞘细胞中，通过Rubisco进入C3循环。 丙酮酸经过胞间连丝又回到叶肉细胞中，在丙酮酸磷酸二激酶催化下，转化成磷酸烯醇式丙酮酸

24、。,由上可见固定一分CO2，C3植物需3分子ATP，C4植物需增加2分子ATP，共需5分子ATP。 C4途径的生物学意义：热带植物为了防止过多水分蒸发，常常关闭叶片上的气孔。这样使空气中的CO2不易进入维管束鞘细胞中，Rubisco不能保持其最大催化速度。 热带植物中磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶活性提高。对CO2有很高的亲和力，使叶肉细胞有效的固定和浓缩CO2，以苹果酸的形式转移至维管束鞘细胞中，使Rubisco保持其最大催化活性。,因此，虽然C4植物固定一分子CO2消耗5分子ATP，但是其生长速度比C3植物快，每单位面积的生物量均大于C3植物。 C4植物几乎测不出光呼吸，这是因为气孔关闭不仅防止水

25、分子出去，也防止O2进来，而且产生的CO2迅速被C4途径利用，使维管束鞘细胞中CO2O2之比永远很高。 由于这种C4植物利用CO2能力高，在CO2浓度很低时，还可以固定CO2，这类植物积累干物质速度很快，为高产型植物，对四碳二羧酸代谢途径的研究，在农业增产上很有价值。,第六节 糖的异生 糖的异生即形成“新”糖的意思，是指从非糖物质合成葡萄糖的过程。 一、糖异生的证据及其生理意义 许多植物可以利用光合作用将CO2和H2O合成糖。 动物缺乏这种能力，但是动物可以将丙酮酸、甘油、乳酸及某些氨基酸等非糖物质转化成糖。,1糖异生的证据如下： (1)用整体动物实验，禁食24小时，大鼠肝中糖原由7%降到1%

26、，再喂乳酸、丙酮酸或三羧酸代谢中间物时可以使动物的肝糖原增加。 (2)根皮苷是一种从梨树茎皮提取的有毒的糖苷，它能抑制肾小管重新吸收葡萄糖回到血液中。这样血中的葡萄糖就不断地由尿中排出。当给根皮苷处理后的动物喂三羧酸循环中间代谢物或生糖氨基酸时，这种动物的尿中糖的含量增加。 (3)糖尿病人或切除胰岛的动物，从氨基酸转化成糖的过程十分活跃。当摄入生糖氨基酸时，尿中糖含量增加。,2糖异生的生理意义 (1)糖异生作用是一个十分重要的生物合成葡萄糖的途径。 红细胞和脑是以葡萄糖为主要燃料，成人每天约需160克葡萄糖，其中120克用于脑代谢，而糖原贮存仅数百克。 糖异生主要在肝脏中进行，肾上腺皮质中也有

27、，脑和肌肉中很少。因此在血中葡萄糖浓度降低时，首先是脑受到损伤。 (2)在饥饿、剧烈运动造成糖原下降后，糖异生使酵解产生的乳酸，脂肪分解产生的甘油及生糖氨基酸等中间产物重新生成糖。 这对维持血糖浓度，满足组织对糖的需要是十分重要的。,二、糖异生的途径 糖异生的选径不是简单的酵解途径逆转。 从丙酮酸到葡萄糖的代谢中有7步是共同的可逆步骤。 只有3步是不可逆步骤、它们由另一些酶催化的。 糖的异生有特殊的调控酶，需要ATP供给能量，以保证合成途径的进行。因为必须克服从丙酮酸到葡萄糖3个不可逆反应中的能量障碍。,1丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸 (1)丙酮酸生成草酰乙酸 丙酮酸羧化酶使丙酮酸羧化成草酰乙酸

28、，人及哺乳动物的丙酮酸羧化酶存在于肝或肾的线粒体中。 所以细胞液中的乳酸氧化生成丙酮酸后，要经运载系统进入线粒体后才能羧化成草酰乙酸，后者是在线粒体中，而它又必须离开线粒体才能进一步转变成磷酸烯醇式丙酮酸。 但草酰乙酸本身不能透过线粒体内膜，所以转变成苹果酸，天冬氨酸等通过二羧酸转运系统离开线粒体后再进一步氧化恢复成草酰乙酸。,丙酮酸羧化酶的羧化作用需要ATP和二价离子，如Mg2，Mn2等参加。,此酶需要生物素为辅酶。 生物素在ATP供能情况下与CO2结合生成N1羧化生物素，然后转移羧基给丙酮酸生成草酰乙酸。,羧化酶是由4个相同亚基组成的聚合体，分子量为500 000，每个亚基结合一个生物素。

29、 生物素与酶蛋白赖氨酸残基上的氨基以酰胺链结合，形成一个摆臂，活性CO2结合在生物素上成为N1羧化生物素酶。,丙酮酸羧化酶是别构酶，受乙酰CoA的调控，在缺乏乙酰CoA时没有活性。脂酰CoA对此酶也有激活作用。细胞中ATPADP的比值升高促进羧化作用。 此酶还催化三羧酸循环的回补反应。草酰乙酸既是糖异生合成的中间物，又是三羧酸循环的中间物。高含量的乙酰CoA使草酰乙酸大量合成。 若细胞内ATP含量高则三羧酸循环速度降低，糖异生作用加强。丙酮酸羧化酶联系着三羧酸循环和糖的异生作用。,(2)草酰乙酸转变成苹果酸从线粒体转运至细胞质中。 线粒体中的草酰乙酸被线粒体中的苹果酸脱氢酶催化形成苹果酸才能穿

30、过线粒体转移至细胞质中，NADH是氢的供体。,苹果酸通过线粒体膜的二羧酸转运系统与其他二羧酸或磷酸盐交换而离开线粒体。,虽然这是吸能反应，但因为最终产物不断移去，使反应向右进行。,（3）细胞质中的苹果酸又被细胞质中的苹果酸脱氢酶再氧化形成草酰乙酸。NAD是受氢体。,（4）磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶催化草酰乙酸形成磷酸烯醇式丙酮酸，反应需GTP供给磷酰基。,胰高血糖素，肾上腺素，糖皮质激素可以调控增加此酶在肝中的含量。胰岛素作用相反，可降低此酶的含量。,从丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸的反应式是：,反应的G00.84千焦耳摩尔，与丙酮酸激酶的催化反应相比，后者G0是31.5千焦耳摩尔，所以，在热力学上

31、，糖异生更易进行。因为一个丙酮酸分子消耗了ATP和GTP中的两个高能磷酸键克服了能量障碍。 丙酮酸羧化激酶含有13个巯基，其中一对靠近活性中心，亚铁激活剂可使Fe2+插入活性中心形成复合物，从而克服无机磷酸的抑制作用，增加酶的活性。,2磷酸烯醇式丙酮酸沿酵解途径逆向反应转变成1，6二磷酸果糖。 31，6二磷酸果糖转化成6磷酸果糖。 经果糖二磷酸酶的催化使1，6二磷酸果糖的磷酸酯水解。 这是糖异生作用的关键反应。 果糖磷酸酶是一个异构酶，被其负效应物AMP，2，6二磷酸果糖强烈抑制，但ATP、柠檬酸和3磷酸甘油酸可激活酶的活性。,46磷酸果糖至葡萄糖 6磷酸果糖经酵解途径逆向变成6磷酸葡萄糖。然

32、后在葡萄糖6磷酸酶的催化下水解成葡萄糖。 在肝的内质网上含有葡萄糖6磷酸酶可将葡萄糖运输到血中去，但此酶不存在于脑或肌肉中，这些组织无上述功能。,从丙酮酸形成葡萄糖共消耗6个ATP的高能磷酸键，因为从丙酮酸到草酰乙酸消耗一个ATP，草酰乙酸到磷酸烯醇式丙酮酸消耗一个GTP ，从3磷酸甘油酸到1，3二磷酸甘油酸消耗一个ATP。 因此从二个分子丙酮酸合成一分子葡萄糖共消耗6个ATP。尽管整个反应消耗能量，但是可以使反应容易进行。,糖异生的总反应式为：,三、糖异生途径的前体 1凡是能生成丙酮酸的物质都可以变成葡萄糖。 例如三羧酸循环的中间物，柠檬酸、异柠檬酸、酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸和苹果酸都可转

33、变成草酰乙酸而进入糖异生途径。 值得注意的是在动物体中乙酰CoA不能作为糖异生的前体，它不能转化成丙酮酸，因为丙酮酸脱氢酶反应是不可逆的。 2大多数氨基酸是生糖氨基酸(详见氨基酸代谢一章)如丙氨酸、谷氢酸、天冬氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、甘氨酸、精氨酸、组氨酸、苏氨酸、脯氨酸、谷胺酰胺、天冬酰胺、甲硫氨酸、缬氨酸等，它们可转变成丙酮酸，酮戊二酸、草酰乙酸等三羧酸循环中间产物参加糖异生途径。,3肌肉剧烈运动后产生大量乳酸，可以迅速穿过质膜经血液运送至肝脏，乳酸氧化成丙酮酸参加糖异生途径变成葡萄糖，再进入血液运送到肌肉中，这过程称Cori循环。 尽管每分子葡萄糖在肌肉中酵解产生ATP的分子数比糖异生消

34、耗的ATP分子要少，这个循环是十分花费能量的，但对于动物在生存竞争中捕食和逃避敌害还是十分有意义的。 4反刍动物糖异生途径十分旺盛，牛胃细菌分解纤维素成为乙酸、丙酸、丁酸等，奇数脂肪酸可转变为琥珀酰CoA(详见脂肪代谢一章)参加糖异生途径合成葡萄糖。,第七节 糖原合成与分解 糖原是葡萄糖的贮存形式。 当细胞中能量充足时，进行糖原合成而贮存能量。 当能量供应不足时，糖原分解产生ATP，以保证不间断地供应生命活动所需的能量。 糖原分解与合成的速度直接影响血糖的水平。 糖原的分解与合成是分别进行的不同途径。 它们的速度受激素、别构酶的精细调节。,一、糖原分解代谢 糖原中大多数葡萄糖残基是由1，4糖苷

35、键相连，在分枝点是由1，6糖苷键相连。每个分枝链大约含有10个葡萄糖残基。 1糖原的降解是从糖原的非还原性末端葡萄糖残基的 1，4糖苷键断裂，生成1磷酸葡萄糖和少一个葡萄糖基的糖原分子。 反应是由糖原磷酸化酶催化的磷酸解作用。,磷酸化酶有a、b两种形式，磷酸化酶a是由分子量为97 000相同亚基组成的四聚体。磷酸化酶b是二聚体。 磷酸化酶b在磷酸化酶激酶作用下，分子中特殊的丝氨酸14被ATP磷酸化，变成有活性的磷酸化酶a。 这个共价修饰调控是可逆的，丝氨酸14上磷酸基可被特殊的磷酸酶水解成无活性的磷酸化酶b。 磷酸化酶b是别构酶在有高浓度正效应物AMP时，磷酸化酶b构象发生变化，成为有活性的酶

36、。ATP则是酶的负效应物，与AMP竞争。抑制磷酸化酶b的活性。6磷酸葡萄糖也是此酶的别构抑制剂。,2去分枝酶催化糖原分枝点的1、6糖苷键断裂。 磷酸化酶逐个磷酸解移去葡萄糖单位，直至靠近1，6糖苷键的分枝点的4个葡萄糖单位就不能继续降解了。残留的高度分枝的糖原分子称极限糊精。 极限糊精上的糖键由转移酶催化将3个糖残基从某个糖链转移到另一个4糖残基的链上。 剩下一个糖残基以1，6糖苷链与糖原连接则由去分枝酶即1，6糖苷酶水解，所剩下的糖残基的线型糖链又可由磷酸化酶进一步水解。 有趣的是转移酶和去分枝酶是一个酶上的不同部分，在分子量为160 000的酶的多肽链上有两个活性位点。,3GlP经过1，6

37、二磷酸中间产物生成G6P。 此反应是在磷酸葡萄糖变位酶的催化下完成的，此酶的活性中心有磷酸化丝氨酸。 在肝、肾及小肠中，G6P被葡萄糖6磷酸酶水解成葡萄糖，进入血液循环。此酶位于平滑内质网膜中，在肌肉和脑组织中没有这种酶，可保留G6P作为产生ATP的燃料，肝并不利用葡萄糖为燃料，所以为其他组织提供葡萄糖。,二、糖原的合成代调 在体外使糖原分解的磷酸化酶可催化逆反应合成糖原、但是体内糖原合成却另有途径。 因为实验证明，在中性pH条件下，糖原合成时 PiGlP的比值为3.6，而在细胞中比例大100，因此在细胞中磷酸化酶的作用是使糖原降解，而且可增加磷酸化酶活性的激素，常常刺激糖原分解。同时发现缺乏

38、肌肉磷酸化酶的病人可以合成肌糖原。上述事实证明了糖原是由另一些酶来合成的。 1957年Luis Leloir及其同事指出糖原合成不是降解途径逆转。糖原合成中糖基的烘体是UDP而不是G1P。合成与分解采用不同选径更易满足代谢调节和反应所需能量的要求。,1、G1P在UDP葡萄糖焦磷酸化酶催化下生成UDP葡萄糖。,此反应是可逆的，可是由于焦磷酸极易被焦磷酸酶水解成正磷酸使反应向右进行。,2UDP葡萄糖在糖原合成酶催化下合成新糖原。 新的葡萄糖残基加在糖原引物的非还原末端的葡萄糖残基的第四碳的羟基上，形成1，4糖苷键。UDP被延长的糖原分子末端葡萄糖残基上的C4上的羟基取代。,催化反应中必须有一个4个

39、糖残基以上的引物存在。糖原合成需要糖原起始合成酶及引发蛋白质。,首先将UDP葡萄糖逐个与引发蛋白质酪氨酸残基苯酚上的氧原子作用，形成具有1，4糖苷键的蛋白质引物。然后蛋白质上的寡糖键在糖原合成酶及分枝酶作用下生成糖原。 糖原合成酶a上特殊丝氨酸可以磷酸化成为无活性的糖原合成酶b，又称糖原合成酶D(依赖型)，即其活性依赖于变构效应物6磷酸葡萄糖的浓度。未磷酸化的糖原合成酶a不需6磷酸葡萄糖激活，故又称糖原合成酶I (不依赖型)，见图。,3合成具有1、6糖苷键的有分枝的糖原、反应由分枝酶催化。 分枝酶从至少是11个残基的糖链非还原末端将7个葡萄糖残基转移到较内部的位置上去，形成具1，6糖苷键的新分枝链。 新形成的分枝必须与原有的糖链有4个糖残基的距离。 有分枝的糖原有较多的末端分枝，可增加糖原分解或合成的速率，而且分枝使糖原的溶解度加大。,第十节 糖代谢的紊乱 由于糖代谢过程中某些酶的先天性缺陷，或由于其调节作用失常，导致糖代谢紊乱。 一、先天性糖代谢酶的缺陷病 1半乳糖血症 当先天性缺乏1磷