第五章 糖 代 谢

　　新陈代谢(物质代谢)是指生物与周围环境进行物质和能量交换的过程。包括同化作用和异化作用。特点：1、温和条件下由酶催化完成;2、反应协调而有顺序性;3、反应分步进行并伴有能量变化，有中间产物。

　　糖代谢是生物体广泛存在的最基本代谢 。糖代谢为生物提供重要的碳源和能源。生物所需的能量，主要由糖代谢提供。糖代谢包括糖的分解代谢和合成代谢，分解代谢包括糖的有氧氧化分解(糖酵解、丙酮酸氧化脱羧、三羧酸循环)和磷酸戊糖途径;合成代谢包括糖异生和光合作用。

　　注：代谢章节的特点是易懂难记，但对于任何一种代谢过程无非学习以下几个方面知识：1、每步中间反应的反应物和产物是什么;2、催化的酶是什么;3、物质和能量变化情况;4、代谢如何进行调节;(5、生物学意义)。

　　一、糖酵解

　　糖酵解(EMP途径)：葡萄糖经过一系列中间反应后生成丙酮酸的过程。糖酵解在细胞质中进行。

　　1、过程：

　　1)、 葡萄糖磷酸化形成G-6-P;此反应不可逆，催化此反应的激酶有，已糖激酶和葡萄糖激酶。

　　激酶：催化ATP分子的磷酸基(r-磷酰基)转移到底物上的酶称激酶，一般需要Mg2+或Mn2+作为辅因子，底物诱导的裂缝关闭现象似乎是激酶的共同特征。

　　2)、 G-6-P异构化为F-6-P;此反应可逆，反应方向由底物与产物的含量水平控制。由磷酸葡萄糖异构酶催化，将葡萄糖的羰基C由C1移至C2 ，为C1位磷酸化作准备，同时保证C2上有羰基存在，这对分子的β断裂，形成三碳物是必需的。

　　3)、 F-6-P磷酸化，生成F-1.6-P;此反应在体内不可逆，调节位点，由磷酸果糖激酶催化。磷酸果糖激酶既是酵解途径的限速酶，又是酵解途径的第二个调节酶

　　4)、 F-1.6-P裂解成3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮(DHAP);该反应可逆，由醛缩酶催化。同时在生理环境中，3-磷酸甘油醛不断转化成丙酮酸，驱动反应向右进行。

　　5)、 磷酸二羟丙酮(DHAP)异构化成3-磷酸甘油醛;由磷酸丙糖异构酶催化。已糖转化成3-磷酸甘油醛后，C原子编号变化：F-1.6-P的C1-P、C6-P都变成了3-磷酸甘油醛的C3-P

　　6)、 3-磷酸甘油醛氧化成1.3—二磷酸甘油酸;由磷酸甘油醛脱氢酶催化。此反应可逆，既是氧化反应，又是磷酸化反应，氧化反应的能量驱动磷酸化反应的进行。碘乙酸可与酶的-SH结合，抑制此酶活性，砷酸能与磷酸底物竞争，使氧化作用与磷酸化作用解偶连(生成3-磷酸甘油酸)。

　　7)、 1.3—二磷酸甘油酸转化成3—磷酸甘油酸和ATP;此反应可逆，由磷酸甘油酸激酶催化。这是酵解过程中的第一次底物水平磷酸化反应，也是酵解过程中第一次产生ATP的反应。一分子Glc产生二分子三碳糖，共产生2ATP。这样可抵消Glc在两次磷酸化时消耗的2ATP。

　　8)、 3—磷酸甘油酸转化成2—磷酸甘油酸;此反应可逆，磷酸甘油酸变位酶催化，磷酰基从C3移至C2。

　　9)、 2—磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸;此反应可逆，烯醇化酶催化。2—磷酸甘油酸中磷脂键是一个低能键(△G= -17.6Kj /mol)而磷酸烯醇式丙酮酸中的磷酰烯醇键是高能键(△G= -62.1Kj /mol)，因此，这一步反应显著提高了磷酰基的转移势能。

　　10)、 磷酸烯醇式丙酮酸生成ATP和丙酮酸;此反应不可逆，调节位点。由丙酮酸激酶催化，丙酮酸激酶是酵解途径的第三个调节酶，这是酵解途径中的第二次底物水平磷酸化反应，磷酸烯醇式丙酮酸将磷酰基转移给ADP，生成ATP和丙酮酸

　　EMP总反应式：

　　1葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+ → 2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O

　　2、 糖酵解的能量变化

　　无氧情况下：净产生2ATP(2分子NADH将2分子丙酮酸还原成乳酸)。

　　有氧条件下：NADH可通过呼吸链间接地被氧化，生成更多的ATP。

　　1分子NADH→3ATP(或2.5ATP)

　　1分子FADH2 →2ATP(或1.5 ATP)

　　因此，净产生8ATP(酵解2ATP，2分子NADH进入呼吸氧化，共生成6ATP)。

　　但在肌肉系统组织和神经系统组织：一个Glc酵解，净产生6ATP(2+2*2)。

　　★甘油磷酸穿梭：

　　2分子NADH进入线粒体，经甘油磷酸穿梭系统，胞质中磷酸二羟丙酮被还原成3—磷酸甘油，进入线粒体重新氧化成磷酸二羟丙酮，但在线粒体中的3—磷酸甘油脱氢酶的辅基是FAD，因此只产生4分子ATP。

　　①：胞液中磷酸甘油脱氢酶。

　　②：线粒体磷酸甘油脱氢酶。

　　★苹果酸穿梭机制：

　　胞液中的NADH可经苹果酸脱氢酶催化，使草酰乙酸还原成苹果酸，再通过苹果酸—2—酮戊二酸载休转运，进入线粒体内，由线粒体内的苹果酸脱氢酶催化，生成NADH和草酰乙酸。

　　而草酰乙酸经天冬氨酸转氨酶作用，消耗Glu而形成Asp。Asp经线粒体上的载体转运回胞液。在胞液中，Asp经胞液中的Asp转氨酶作用，再产生草酰乙酸。

　　经苹果酸穿梭，胞液中NADH进入呼吸链氧化，产生3个ATP。

　　糖酵解过程中包含两个底物水平磷酸化：一为1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸;二为磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸。

　　2、调节

　　1)6-磷酸果糖激酶-1

　　变构抑制剂：ATP、柠檬酸

　　变构激活剂：AMP、ADP、1，6-双磷酸果糖(产物反馈激，比较少见)和2，6-双磷酸果糖(最强的激活剂)。

　　2)丙酮酸激酶

　　变构抑制剂：ATP 、肝内的丙氨酸

　　变构激活剂：1，6-双磷酸果糖

　　3)葡萄糖激酶

　　变构抑制剂：长链脂酰辅酶A

　　注：此项无需死记硬背，理解基础上记忆是很容易的，如知道糖酵解是产生能量的，那么有ATP等能量形式存在，则可抑制该反应，以利节能，上述的柠檬酸经三羧酸循环也是可以产生能量的，因此也起抑制作用;产物一般来说是反馈抑制的;但也有特殊，如上述的1，6-双磷酸果糖。特殊的需要记忆，只属少数。以下类同。关于共价修饰的调节，只需记住几个特殊的即可，下面章节提及。

　　3、丙酮酸的去路

　　1) 进入三羧酸循环

　　2) 乳酸的生成

　　在厌氧酵解时(乳酸菌、剧烈运动的肌肉)，丙酮酸接受了3—磷酸甘油醛脱氢酶生成的NADH上的氢，在乳酸脱氢酶催化下，生成乳酸。

　　总反应： Glc + 2ADP + 2Pi → 2乳酸 + 2ATP + 2H2O

　　3) 乙醇的生成

　　酵母或其它微生物中，经糖酵解产生的丙酮酸，可以经丙酮酸脱羧酶催化，脱羧生成乙醛，在醇脱氢酶催化下，乙醛被NADH还原成乙醇。

　　总反应：Glc+2pi+2ADP+2H+→2乙醇+2CO2+2ATP+2H20

　　在厌氧条件下能产生乙醇的微生物，如果有氧存在时，则会通过乙醛的氧化生成乙酸，制醋。

　　4) 丙酮酸进行糖异生

　　4、 其它单糖进入糖酵解途径：除葡萄糖外，其它单糖也可进行酵解，通过形成糖酵解的某一中间产物。各种单糖进入糖酵解的途径，如糖原降解产物G—1—P异构成G—6—P。

　　5、糖酵解的生理意义

　　1)葡萄糖分解代谢的共同途径;

　　2)对于厌氧生物、缺氧或某些病理的组织来说，是糖分解和获得能量的主要方式;

　　3)糖酵解形成的很多中间产物，可作为合成其他物质的原料，与其他代谢途径联系起来。

　　6、乳酸循环：葡萄糖在肌肉组织中经糖的无氧酵解产生的乳酸，可经血循环转运至肝脏，再经糖的异生作用生成自由葡萄糖后转运至肌肉组织加以利用，这一循环过程就称为乳酸循环(Cori循环)。Cori循环是一个耗能过程：2分子乳酸生成1分子Glc，消耗6个ATP。

　　乳酸循环是由于肝内糖异生活跃，又有葡萄糖-6-磷酸酶可水解6-磷酸葡萄糖，释出葡萄糖。肌肉除糖异生活性低外，又没有葡萄糖-6-磷酸酶。

　　乳酸循环生理意义：避免损失乳酸以及防止因乳酸堆积引起酸中毒。

　　二、糖有氧氧化

　　葡萄糖的有氧氧化包括四个阶段。

　　①糖酵解产生丙酮酸(2丙酮酸、 2ATP、2NADH)

　　②丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA 2×(CO2、NADH)

　　③三羧酸循环 2×(2CO2、ATP、3NADH、FADH2)

　　④呼吸链氧化磷酸化 (NADH-----ATP)

　　三羧酸循环：乙酰CoA经一系列的氧化、脱羧，最终生成CO2、H2O、并释放能量的过程，又称柠檬酸循环、Krebs循环。

　　原核生物：①~④阶段在胞质中

　　真核生物：①在胞质中，②~④在线粒体中

　　1、丙酮酸脱羧生成乙酰CoA。此反应在真核细胞的线粒体基质中进行，这是连接糖酵解与TCA的中心环节。

　　1) 丙酮酸脱氢酶系：丙酮酸脱氢酶系是一个十分庞大的多酶体系，位于线粒体膜上，电镜下可见。

　　E.coli丙酮酸脱氢酶复合体：

　　分子量：4.5×106，直径45nm，比核糖体稍大。

　　酶 辅酶 每个复合物亚基数

　　丙酮酸脱羧酶(E1) TPP 24

　　二氢硫辛酸转乙酰酶(E2) 硫辛酸 24

　　二氢硫辛酸脱氢酶(E3) FAD、NAD+ 12

　　此外，还需要CoA、Mg2+作为辅因子。这些肽链以非共价键结合在一起，在碱性条件下，复合体可以解离成相应的亚单位，在中性时又可以重组为复合体。所有丙酮酸氧化脱羧的中间物均紧密结合在复合体上，活性中间物可以从一个酶活性位置转到另一个酶活性位置，因此，多酶复合体有利于高效催化反应及调节酶在反应中的活性。

　　2) 反应步骤：

　　(1)丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP

　　(2)二氢硫辛酸乙酰转移酶(E2)使羟乙基氧化成乙酰基

　　(3)E2将乙酰基转给CoA，生成乙酰-CoA

　　(4)E3氧化E2上的还原型二氢硫辛酸

　　(5)E3还原NAD+生成NADH

　　3) 丙酮酸脱氢酶系的活性调节：从丙酮酸到乙酰CoA是代谢途径的分支点，此反应体系受到严密的调节控制，此酶系受两种机制调节。

　　(1)可逆磷酸化的共价调节：

　　丙酮酸脱氢酶激酶(EA)(可被ATP激活)

　　丙酮酸脱氢酶磷酸酶(EB)

　　磷酸化的丙酮酸脱氢酶(无活性)

　　去磷酸化的丙酮酸脱氢酶(有活性)

　　(2)别构调节：ATP、CoA、NADH是别构抑制剂。ATP抑制E1;CoA抑制E2;NADH抑制E3。

　　4) 能量变化：1分子丙酮酸生成1分子乙酰CoA，产生1分子NADH(3ATP)。

　　2、 三羧酸循环(TCA)的过程

　　TCA循环：每轮循环有2个C原子以乙酰CoA形式进入，有2个C原子完全氧化成CO2放出，分别发生4次氧化脱氢，共释放12ATP。

　　1) 反应步骤

　　(1)、 乙酰CoA+草酰乙酸→柠檬酸

　　柠檬酸合酶，TCA中第一个调节酶：受ATP、NADH、琥珀酰CoA、和长链脂肪酰CoA的抑制;受乙酰CoA、草酸乙酸激活。氟乙酰CoA可与草酰乙酸生成氟柠檬酸，抑制下一步反应的酶，据此，可以合成杀虫剂、灭鼠药。

　　(2)、 柠檬酸→异柠檬酸

　　由顺鸟头酸酶催化

　　(3)、 异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸和NADH

　　异柠檬酸脱氢酶，这是三羧酸循环中第一次氧化脱羧反应， TCA中第二个调节酶：Mg2+(Mn2+ )、NAD+和ADP可活化此酶，NADH和ATP可抑制此酶活性。细胞在高能状态：ATP/ADP、NADH/NAD+比值高时，酶活性被抑制。线粒体内有二种异柠檬酸脱氢酶，一种以NAD+为电子受体，另一种以NADP+为受体。前者只在线粒体中，后者在线粒体和胞质中都有。

　　(4)、 α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA和NADH

　　α-酮戊二酸脱氢酶系，TCA循环中的第三个调节酶：受NADH、琥珀酰CoA、Ca2+、ATP、GTP抑制，α-酮戊二酸脱氢酶系为多酶复合体，与丙酮酸脱氢酶系相似(先脱羧，后脱氢)

　　(5)、 琥珀酰CoA生成琥珀酸和GTP

　　琥珀酰CoA合成酶(琥珀酸硫激酶)，这是TCA中唯一的底物水平磷酸化反应，直接生成GTP。在高等植物和细菌中，硫酯键水解释放出的自由能，可直接合成ATP。在哺乳动物中，先合成GTP，然后在核苷二磷酸激酶的作用下，GTP转化成ATP。

　　(6)、 琥珀酸脱氢生成延胡索酸(反丁烯二酸)和FADH

　　琥珀酸脱氢酶是TCA循环中唯一嵌入线粒体内膜的酶。丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂，可阻断三羧酸循环。

　　(7)、 延胡索酸水化生成L-苹果酸

　　延胡索酸酶具有立体异构特性，OH只加入延胡索酸双键的一侧，因此只形成L-型苹果酸。

　　(8)、 L-苹果酸脱氢生成草酰乙酸和NADH

　　L-苹果酸脱氢酶，平衡有利于逆反应，但生理条件下，反应产物草酰乙酸不断合成柠檬酸，其在细胞中浓度极低，少于10-6mol/L，使反应向右进行。

　　2) TCA循环小结

　　(1)、总反应式：

　　丙酮酸 + 4NAD+ + FAD + GDP → 4NADH + FADH2 + GTP + 3CO2 + H2O

　　乙酰CoA + 3NAD+ + FAD + GDP → 3NADH + FADH2 + GTP + 2CO2 + H2O

　　(2)、 一次底物水平的磷酸化、二次脱羧反应，三个调节位点，四次脱氢反应。

　　3个NADH、1个FADH2进入呼吸链

　　(3)、 三羧酸循环中碳骨架的不对称反应

　　同位素标记表明，乙酰CoA上的两个C原子在第一轮TCA上并没有被氧化。

　　被标记的羰基碳在第二轮TCA中脱去。在第三轮TCA中，两次脱羧，可除去最初甲基碳的50%，以后每循环一次，脱去余下甲基碳的50%

　　3) 一分子Glc彻底氧化产生的ATP数量(按NADH的P/O=3,FADH2的为2来计算)

　　(在肝脏中)

　　反应 酶 ATP消耗 产生ATP方式 ATP数量 合计

　　糖 酵 解 已糖激酶 1 -1 8

　　磷酸果糖激酶 1 -1

　　磷酸甘油醛脱氢酶 NADH呼吸链氧化磷酸化 2×3

　　磷酸甘油酸激酶 底物水平磷酸化 2×1

　　丙酮酸激酶 底物水平磷酸化 2×1

　　TCA 丙酮酸脱氢酶复合物 NADH 2×3 30

　　异柠檬酸脱氢酶 NADH 2×3

　　α-酮戊二酸脱氢酶复合物 NADH 2×3

　　琥珀酸脱氢酶 FADH2 2×2

　　苹果酸脱氢酶 NADH 2×3

　　琥珀酰CoA合成酶 底物水平磷酸化 2×1

　　净产生：38ATP

　　在骨骼肌、脑细胞中，净产生：36ATP

　　甘油磷酸穿梭，1个NADH生成2个ATP

　　苹果酸穿梭，1个NADH生成3个ATP

　　(1)、 磷酸甘油穿梭机制：

　　磷酸二羟丙酮+NADH+H+→3-磷酸甘油+NAD+

　　3-磷酸甘油进入线粒体，将2H交给FAD而生成FADH2，FADH2可传递给辅酶Q，进入呼吸链，产生2ATP(3-磷酸甘油脱氢酶的辅酶是FAD)。

　　(2)、 苹果酸穿梭机制：

　　胞液中NADH可经苹果酸酶催化，使草酰乙酸还原成苹果酸，再通过苹果酸-α-酮戊二酸载体转运，进入线粒体，由线粒体内苹果酸脱氢酶催化，生成NADH和草酰乙酸，NADH进入呼吸链氧化，生成3ATP。(苹果酸脱氢酶的辅酶是NAD+)

　　1分子Glc在肝、心中完全氧化，产生38ATP，在骨骼肌、神经系统组织中，产生36ATP。

　　4) 三羧酸循环的代谢调节

　　(1)、 柠檬酸合酶(限速酶)：受ATP、NADH、琥珀酰CoA及脂酰CoA抑制。

　　受乙酰CoA、草酰乙酸激活

　　(2)、 异柠檬酸脱氢酶：NADH、ATP可抑制此酶，ADP可活化此酶，当缺乏ADP时就失去活性。

　　(3)、 α-酮戊二酸脱氢酶：受NADH和琥珀酰CoA抑制。