基礎(chǔ)生物化學(xué)-糖類分解代謝

1、5 糖類分解代謝5.1 新陳代謝概論5.2 生物體內(nèi)的糖類5.3 雙糖和多糖的酶促降解5.4 糖酵解5.5 三羧酸循環(huán)5.6 磷酸戊糖途徑5.7 糖醛酸途徑,5.1 新陳代謝概論新陳代謝是生物于周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的過(guò)程。包括同化作用(assimilation)和異化作用(dissimilation)兩個(gè)方面。生物體通過(guò)同化作用(合成代謝) 不斷地從環(huán)境中攝取物質(zhì)，經(jīng)一系列生化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽约旱慕M分；通過(guò)異化作用

2、(分解代謝) 將原有的組分經(jīng)一系列生化反應(yīng)，分解為簡(jiǎn)單成分重新利用或排出體外。,各種生物都具有各自特異的新陳代謝類型，此特異方式主要決定于遺傳，環(huán)境條件也有一定的影響。新陳代謝類型的特點(diǎn)：①絕大多數(shù)代謝反應(yīng)在溫和條件下，由酶催化進(jìn)行。②繁多的代謝反應(yīng)相互配合，有條不紊，彼此協(xié)調(diào)且有嚴(yán)格的順序性。,③新陳代謝是對(duì)內(nèi)外環(huán)境條件高度適應(yīng)和靈敏調(diào)節(jié)而成的一個(gè)有規(guī)律的總過(guò)程。④每一代謝都有各自的代謝途徑，代謝反應(yīng)中任一反應(yīng)物、中間物或產(chǎn)物

3、，都稱為代謝物(metabolite)；⑤生物大分子的合成和分解都是逐步進(jìn)行的，并伴隨著能量的吸收和釋放。,5.1.2 代謝的研究方法代謝研究主要是指中間代謝的研究方法。所謂中間代謝指某一代謝中的一系列酶促反應(yīng)。研究方法主要包括：5.1.2.1 示蹤法①苯環(huán)化合物示蹤法，如Knoop利用苯甲酸、苯乙酸標(biāo)記脂肪酸，提出了脂肪酸?-氧化學(xué)說(shuō)。,②穩(wěn)定同位素示蹤法，如利用15NH4Cl，標(biāo)記DNA分子從而證明了DNA的半保留復(fù)制方式。

4、 ③放射性同位素示蹤法等。如卡爾文以14CO2飼喂植物，再用紙層析分離CO2代謝的中間物，提出光合作用中CO2轉(zhuǎn)變?yōu)樘堑目栁难h(huán)(Calvin cycle)。,5.1.2.2 抗代謝物、酶抑制劑的應(yīng)用在離體條件下，使用抗代謝物和酶抑制劑來(lái)阻抑、改變反應(yīng)，觀察這些反應(yīng)被抑制或改變以后的結(jié)果，從而推測(cè)中間代謝的情況。,5.1.2.3 體內(nèi)試驗(yàn)和體外試驗(yàn)①體內(nèi)研究(in vivo)以生物整體進(jìn)行中間代謝研究稱為體內(nèi)研究，包括用整體器

5、官或微生物細(xì)胞群進(jìn)行的研究。 如Knoop以犬為研究對(duì)象，飼喂苯環(huán)標(biāo)記的脂肪酸，再研究犬尿中苯標(biāo)記物狀態(tài)，是“體內(nèi)研究”；,②體外研究(in vitro， no vivo)以組織切片、勻漿、提取液為材料進(jìn)行研究稱為體外研究。 如Krebs以肌肉糜(勻漿)為材料，研究酶抑制劑和反應(yīng)物的加入對(duì)反應(yīng)中間物和代謝終產(chǎn)物的影響，確定了三羧酸循環(huán)的反應(yīng)歷程。在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)不同的研究對(duì)象采用不同研究方法，但以同位素示蹤法(isotopic t

6、racer technique)最常用。,5.2 生物體內(nèi)的糖類糖是具有實(shí)驗(yàn)式(CH2O)n的多羥基醛或酮，它分為單糖、寡糖、多糖和結(jié)合糖四類。 糖的生物學(xué)作用：①糖類是生物體內(nèi)重要的能源，糖分解產(chǎn)生的ATP可供需能代謝之用。②糖分解代謝的許多中間物是合成氨基酸、脂肪、核苷酸的原料。,③糖與蛋白質(zhì)、脂類結(jié)合成復(fù)合糖，參與細(xì)胞識(shí)別、防御、免疫、粘附、結(jié)構(gòu)等多種過(guò)程。 ④結(jié)構(gòu)功能，如纖維素等 。非糖代謝底物也可以經(jīng)過(guò)其它途徑再

7、轉(zhuǎn)化為糖分解代謝的中間物，徹底氧化分解或者沿糖異生途徑轉(zhuǎn)化為糖，形成了以糖為中心的代謝網(wǎng)絡(luò)。,5.2.1 單糖 （monosaccharides ）單糖是最簡(jiǎn)單的，不再被水解成更小的糖單位。(CH2O)n， n=3～9 ，其中戊糖（pentose)和己糖(hexose）分布廣意義大。根據(jù)單糖中碳原子數(shù)目分為丙、丁、戊、已糖等；根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又分為醛糖和酮糖。,丙糖中的醛糖是甘油醛，它有一個(gè)不對(duì)稱碳原子，故其構(gòu)型有D-甘油醛和L-甘

8、油醛之分。凡可視為D-甘油醛衍生物的糖都是D糖；凡可視為L(zhǎng)-甘油醛衍生物的糖都是L糖。丙糖中的酮糖為二羥基丙酮。,自然界中的單糖多為醛糖，其中以己糖最普遍、最重要，戊糖次之。己醛糖中的葡萄糖分布最廣，是構(gòu)成淀粉、糖原、纖維素及其他許多糖類物質(zhì)的基本單位，且是人類血液中的正常成分，給機(jī)體提供能量的重要物質(zhì)。,已糖多以比較穩(wěn)定的1：5氧橋的六元環(huán)結(jié)構(gòu)（吡喃型）存在。在溶液中，六元環(huán)結(jié)構(gòu)己糖常與極少量1：4氧橋五元環(huán)結(jié)構(gòu)（呋喃型）糖成平

9、衡狀態(tài)。戊糖以呋喃型結(jié)構(gòu)存在。在環(huán)狀結(jié)構(gòu)中，戊糖，己糖分別含有四個(gè)和五個(gè)不對(duì)稱碳原子，它們分別有24即16，25即32種同分異構(gòu)體。每種糖又依據(jù)第一碳原子上羥基和氫的相對(duì)空間位置分為?和?型兩類，它們互為異頭物。,單糖具有旋光性，其旋先度可借旋光儀測(cè)得，并計(jì)算得到旋光率。它能與酸、堿起作用，不同條件下氧化產(chǎn)生不同類型的酸。它能被還原成醇。有成蠟、成糖苷和成腙，成脎反應(yīng)，常借助這些反應(yīng)分析，鑒定糖。單糖中的酮糖，與醛糖相同，亦具有環(huán)

10、狀結(jié)構(gòu)，其五元環(huán)即呋喃型糖較常見。,5.2.2 寡糖(oligosaccharides )寡糖是少數(shù)單糖（2~10個(gè)）的縮合產(chǎn)物。其中最重要的是雙糖，雙糖中常見的是蔗糖（sucrose）、麥芽糖(maltose)、乳糖(lactose)。,蔗糖分子中的葡萄糖和果糖經(jīng)醛、酮基縮合，失去還原、成腙、變旋等特性。麥芽糖分子由兩分子葡萄糖；乳糖分子由葡萄糖和半乳糖各一分子通過(guò)1,4-糖苷鍵連接起來(lái)。二者仍有一個(gè)自由醛基，也即半縮醛基，故有還

11、原、成脎、變旋等性質(zhì)。,5.2.3 多糖（polysaccharides）多糖是多個(gè)單糖基通過(guò)糖苷鍵連接而形成的高聚物。常見的有由一種類型的糖基組成的淀粉（starch）、糖原（glycogen）和纖維素（cellulose）等。,淀粉是由?- D-葡萄糖縮合而成，是植物貯存的養(yǎng)料，分為直鏈和支鏈淀粉，葡萄糖分子間多是?(1?4)糖苷健，而分支點(diǎn)上是? (1?6)糖苷健。,淀粉遇碘液呈紫藍(lán)色反應(yīng)。能為酸或淀粉酶所水解，逐步降解時(shí)遇碘

12、可顯出不同顏色。淀粉→紅色糊精→無(wú)色糊精→麥芽糖 →葡萄糖 藍(lán)紫 →紅色 → 不顯色 → 不顯色 → 不顯色 直鏈淀粉溶于熱水，分子量1.0×104~2.0×106，約250~300個(gè)葡萄糖殘基，分子通常卷曲為螺旋形，每一轉(zhuǎn)有6個(gè)葡萄糖殘基。遇碘呈紫蘭色，最大吸收波長(zhǎng)620~680nm。,支鏈淀粉不溶于熱水，分子量5.0×104~4.0×108，約﹥600個(gè)葡萄糖殘基，糖鏈分支點(diǎn)以

13、?（1→6）糖苷鍵連接，分支短鏈的平均長(zhǎng)度為24~30個(gè)葡萄糖殘基。遇碘顯紫紅色，最大吸收波長(zhǎng)530~555nm之間。,糖原是動(dòng)物組織內(nèi)糖的貯存形式，如肝和肌肉中貯存的養(yǎng)分，有動(dòng)物淀粉之稱。其分子量較淀粉的略大，分支較支鏈淀粉略多，單糖連接方式與支鏈淀粉相同，分支鏈平均長(zhǎng)度約12~18個(gè)葡萄糖殘基。遇碘顯棕紅色，最大吸收波長(zhǎng)430~490nm。較易溶于水，遇碘液呈棕紅色外，其他性質(zhì)與淀粉相似。,纖維素是構(gòu)成植物軀干的主要成分，它由許多

14、?-D-葡萄糖分子通過(guò)?(1?4)糖苷鍵縮合生成，其分子甚大，故不溶于水，稀酸、稀堿及其他普通有機(jī)溶劑中。,由一種以上類型的糖及其衍生物殘基組成。如糖胺聚糖（粘多糖）為含氮多糖。有透明質(zhì)酸，硫酸軟骨素、硫酸皮膚素，硫酸角質(zhì)素、肝素及硫酸乙酰肝素，存在于軟骨、腱等結(jié)締組織和各種腺體分泌的粘液中，有構(gòu)成組織間質(zhì)，潤(rùn)滑劑、防護(hù)劑等多方面作用。多糖研究近20年來(lái)取得了突破性的進(jìn)展，并成為近代生物化學(xué)中一個(gè)新興的活躍領(lǐng)域。,5.3 雙糖和多糖的

15、酶促降解5.3.1 蔗糖、麥芽糖、乳糖的酶促降解5.3.1.1 蔗糖的水解蔗糖是植物光合作用產(chǎn)物的主要運(yùn)輸形式。 ①在蔗糖合成酶作用下水解,②在蔗糖酶（轉(zhuǎn)化酶）作用下水解,5.3.1.2 麥芽糖的水解麥芽糖酶可催化麥芽糖水解為葡萄糖。,5.3.1.3 乳糖的水解乳糖在?-半乳糖苷酶催化下水解為D-葡萄糖和D-半乳糖。,5.3.2 淀粉(糖原)的酶促降解淀粉（糖原）有水解和磷酸解兩種酶促降解途徑。5.3.2.1 淀粉酶促水

16、解??淀粉酶、?-淀粉酶、脫支酶和麥芽糖酶參與了植物體內(nèi)的淀粉水解。,①?-淀粉酶耐熱(70℃,15min)不耐酸(pH3.3)，在淀粉分子內(nèi)部隨機(jī)水解?-1,4糖苷鍵，將直鏈淀粉水解的產(chǎn)物為葡萄糖、麥芽糖；將支鏈淀粉作用產(chǎn)物為葡萄糖、麥芽糖和糊精。,②?-淀粉酶耐酸不耐熱，從多糖的非還原端的?-1,4糖苷鍵，將直鏈淀粉水解成麥芽糖；將支鏈淀粉（或糖原）水解為麥芽糖和極限糊精。,③脫支酶（R酶）可專一水解?-1,6糖苷鍵。支鏈淀粉經(jīng)淀

17、粉酶水解產(chǎn)生的極限糊精，由脫支酶水解去除?-1,6鍵連接的葡萄糖，再在?-淀粉酶和?-淀粉酶作用下徹底水解。④麥芽糖酶水解麥芽糖和糊精中的?-1,4糖苷鍵，生成葡萄糖。,5.3.2.2 淀粉的磷酸解淀粉磷酸化酶廣泛存在于高等植物的葉片及絕大多數(shù)貯藏器官中。淀粉磷酸化酶催化?-1,4葡聚糖非還原末端的葡萄糖轉(zhuǎn)移給Pi，生成G-1-P，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)新的非還原末端，繼續(xù)進(jìn)行磷酸化。淀粉+nH3PO4=nG-1-P,5.3.2.3 糖原

18、的磷酸解糖原磷酸化酶主要存在于動(dòng)物肝臟中，通過(guò)糖原分解直接補(bǔ)充血糖。糖原磷酸化酶(glycogen phosphorylase)是糖原降解的限速酶，有活性和非活性兩種形態(tài)，分別稱為糖原磷酸化酶a(活化態(tài))和糖原磷酸化酶b(失活態(tài))，兩者在一定條件下可相互轉(zhuǎn)變。,糖原磷酸解時(shí)，在酶a的作用下，從糖原非還原端逐個(gè)磷酸解下葡萄糖基，生成G-1-P，切至離分支點(diǎn)4個(gè)葡萄糖殘基處停止，然后由?-1,4-1,4-寡聚糖基轉(zhuǎn)移酶(oligosac

19、charyl transferase)切下分支點(diǎn)上的麥芽三糖，同時(shí)將它轉(zhuǎn)移到另一鏈上，以?-1,4糖苷鍵連接，被加長(zhǎng)了的支鏈仍由糖原磷酸化酶a磷酸解，而連接有1個(gè)葡萄糖殘基的?-1,6糖苷鍵由脫支酶水解形成葡萄糖。,5.3.3 細(xì)胞壁多糖的酶促降解纖維素是由1000~10000個(gè)?-D-葡萄糖通過(guò)?-1，4糖苷鍵連接的直鏈分子，是植物細(xì)胞壁的主要組分。纖維素可在酸或纖維素酶作用下水解為?-葡萄糖。,單糖的分解代謝在生物體內(nèi)首先要將多

20、糖水解為單糖才能為生命活動(dòng)提供能源或碳源，葡萄糖是大多數(shù)有機(jī)體生命活動(dòng)的主要能源，細(xì)胞通過(guò)分解葡萄糖將其中所含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成細(xì)胞能夠利用的形式（ATP）。,葡萄糖徹底氧化分解成CO2和H2O要經(jīng)歷EMP-TCA、電子傳遞和氧化磷酸化幾個(gè)反應(yīng)階段，并將氧化釋放的能量轉(zhuǎn)變成ATP。,5.4 糖酵解（glycolysis）EMP5.4.1 糖酵解的概念糖酵解是指葡萄糖在酶的作用下，在細(xì)胞質(zhì)中經(jīng)一系列脫氫氧化分解成丙酮酸的過(guò)程。由氧化分解沒(méi)

21、有氧氣參與，故稱之為酵解。G. Embden, O. Meyerhof, J. K. Parnas在研究糖酵解途徑中作出了重大貢獻(xiàn)，簡(jiǎn)稱為EMP途徑。,5.4.2 EMP的生化歷程糖酵解分為己糖的磷酸化、磷酸己糖的裂解和丙酮酸的生成三個(gè)階段，共10個(gè)反應(yīng)組成。,5.4.2.1 己糖的磷酸化①葡萄糖的磷酸化(phosphorylation of glucose) 在己糖激酶作用下消耗ATP，使葡萄糖的第6位碳上被磷酸化生成6-磷酸

22、葡萄糖(G-6-P)，這不僅活化了葡萄糖，也有利于進(jìn)一步參與合成與分解代謝，同時(shí)還能使進(jìn)入細(xì)胞的葡萄糖不再逸出細(xì)胞。,Mg2+是己糖激酶的激活劑，6-磷酸葡萄糖是己糖激酶的反饋抑制物。,②6-磷酸葡萄糖的異構(gòu)反應(yīng)(isomerization of glucose-6-phosphate) 磷酸己糖異構(gòu)酶(phosphohexose isomerase)催化6-磷酸葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸果糖(fructose-6-phosphate,

23、F-6-P) 。,③6-磷酸果糖的磷酸化(phosphorylation of fructose-6-phosphate) 磷酸果糖激酶(phosphofructokinase, PFK)催化6-磷酸果糖第一位C上磷酸化生成1,6-二磷酸果糖，磷酸根由ATP供給。,PFK催化的反應(yīng)是不可逆反應(yīng)，它是糖的有氧氧化過(guò)程中最重要的限速酶，它也是變構(gòu)酶，檸檬酸、ATP等是變構(gòu)抑制劑，ADP、AMP、Pi等是變構(gòu)激活劑。,5.4.2.2 磷酸己

24、糖的裂解④1.6-二磷酸果糖的裂解(cleavage of fructose1,6 di/bis phosphate) 醛縮酶(aldolase)催化1.6-二磷酸果糖生成磷酸二羥丙酮和3-磷酸甘油醛。,⑤磷酸二羥丙酮的異構(gòu)反應(yīng)(isomerization of dihydroxyacetonephosphate) 磷酸丙糖異構(gòu)酶(triose phosphate isomerase)催化磷酸二羥丙酮轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油醛。至

25、此1分子葡萄糖生成2分子3-磷酸甘油醛，通過(guò)兩次磷酸化作用消耗2分子ATP。,5.4.2.3 丙酮酸的生成⑥3-磷酸甘油醛的氧化(oxidation of glyceraldehyde-3-phosphate）3-磷酸甘油醛脫氫酶(glyceraldehyde 3-phosphatedehydrogenase)催化3-磷酸甘油醛氧化脫氫并磷酸化生成含有1個(gè)高能磷酸鍵的1,3-二磷酸甘油酸，反應(yīng)脫下的氫和電子轉(zhuǎn)給NAD生成NADH，磷

26、酸根來(lái)自無(wú)機(jī)磷酸。,⑦1.3-二磷酸甘油酸的高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移反應(yīng) 磷酸甘油酸激酶(phosphaglycerate kinase,PGK)催化1.3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸，同時(shí)其C1上的高能磷酸根轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP。,在底物氧化過(guò)程中，將底物分子中的高能磷酸基團(tuán)直接轉(zhuǎn)移給ADP，偶聯(lián)生成ATP的反應(yīng)稱為底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)。,⑧3-磷酸甘油酸的變位反應(yīng) 磷酸

27、甘油酸變位酶(phosphoglycerate mutase)催化3-磷酸甘油酸C3位上的磷酸基轉(zhuǎn)變到C2位上生成2-磷酸甘油酸。,⑨2-磷酸甘油酸的脫水反應(yīng) 由烯醇化酶(enolase)催化，2-磷酸甘油酸脫水的同時(shí)，能量重新分配，生成含高能磷酸鍵的磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate PEP)。,⑩磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸轉(zhuǎn)移 在丙酮酸激酶(pyruvate kinase, PK)催化下，磷酸烯醇式丙酮酸上

28、的高能磷酸根轉(zhuǎn)移至ADP生成ATP，這是第二次底物水平的磷酸化過(guò)程。,5.4.3 糖酵解的化學(xué)計(jì)量于生物學(xué)意義1分子葡萄糖經(jīng)過(guò)EMP途徑氧化分解產(chǎn)生2個(gè)丙酮酸，2個(gè)ATP和2個(gè)NADH。生成的2NADH若進(jìn)入有氧的徹底氧化途徑可產(chǎn)生6ATP。G+2Pi+2NAD++2ADP→2Pyr+2ATP+2NADH+2H++2H2O,EMP的生物學(xué)意義①EMP是糖的有氧氧化和無(wú)氧氧化的一段共同途徑；②EMP是有機(jī)體在無(wú)氧條件下獲得能量的

29、一種適應(yīng)方式。③EMP的一些中間產(chǎn)物可以作為合成其它重要生命 物質(zhì)的原料。④EMP在糖與非糖物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)變過(guò)程中起著重要作用。,5.4.4 糖酵解的其它底物許多糖類可轉(zhuǎn)變?yōu)樘墙徒獾牡孜锘蛑虚g產(chǎn)物進(jìn)入酵解途徑。,5.4.5 丙酮酸的去路 糖酵解終產(chǎn)物進(jìn)一步分解代謝的去路取決于氧的有無(wú)。在有氧條件下丙酮酸進(jìn)入線粒體脫氫氧化生成乙酰CoA，進(jìn)入TCA繼續(xù)進(jìn)行氧化分解；缺氧時(shí)丙酮酸被還原成乳酸或乙醇。,①乳酸的生成乳酸脫氫酶(lac

30、tate dehydrogenase)催化丙酮酸生成乳酸。反應(yīng)中丙酮酸作為氫接受體將3-磷酸甘油醛脫氫生成的NADH氧化為NAD，使糖酵解繼續(xù)進(jìn)行。,②生成乙醇在酵母菌或其他微生物中，丙酮酸脫羧酶催化丙酮酸脫羧變成乙醛，乙醛在醇脫氫酶催化下被NADH還原形成乙醇。乙醇發(fā)酵存在于真菌和缺氧的植物器官(如淹水的根)中。乙醇發(fā)酵可用于釀酒、面包制作等。在有氧條件下乙醛可被氧化生成乙酸。,5.4.6 糖酵解的調(diào)節(jié) 代謝受到嚴(yán)格而精確的調(diào)

31、節(jié)，以滿足機(jī)體的需要，保持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。這種控制主要是通過(guò)調(diào)節(jié)酶的活性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在一個(gè)代謝過(guò)程中往往催化不可逆反應(yīng)的酶限制代謝反應(yīng)速度，這種酶稱為調(diào)節(jié)酶。,糖酵解途徑中己糖激酶(HK)，磷酸果糖激酶-1(PFK-1)和丙酮酸激酶(PK)是主要的調(diào)節(jié)酶，調(diào)節(jié)著糖酵解的速度，以滿足細(xì)胞對(duì)ATP和合成原料的需要。5.4.6.1 磷酸果糖激酶三個(gè)調(diào)節(jié)酶中起決定作用的是催化效率最低的酶PFK。因此它是一個(gè)限速酶，酵解速度主要決定于其活性。

32、 ①6-磷酸果糖、ADP和AMP是磷酸果糖激酶的別構(gòu)激活劑，而ATP、檸檬酸等是該酶的別構(gòu)抑制劑。,ATP既是該酶作用的底物，又起抑制作用。酶活性中心對(duì)ATP的Km值低，而別構(gòu)中心對(duì)ATP的Km值高。因此，當(dāng)ATP濃度低時(shí)，ATP和酶的活性中心結(jié)合作為底物，酶發(fā)揮正常的催化功能；當(dāng)ATP濃度高時(shí)，ATP可被酶的別構(gòu)中心結(jié)合，引起酶構(gòu)象改變而失活，ATP是別構(gòu)抑制劑。ATP通過(guò)濃度變化影響磷酸果糖激酶活性，調(diào)節(jié)糖酵解速度。,②檸檬酸和脂

33、肪酸對(duì)磷酸果糖激酶的別構(gòu)抑制檸檬酸和脂肪酸分別是糖有氧分解中間物和以糖分解中間物為原料合成的產(chǎn)物。③果糖-2,6-二磷酸對(duì)磷酸果糖激酶的調(diào)節(jié)果糖-2,6-二磷酸激酶(PFK2)催化果糖-6-磷酸(F-6-P)磷酸化形成果糖-2,6-二磷酸(F-2,6-BP)；而果糖-2,6-二磷酸酯酶(FBPase)催化F-2,6-BP水解去磷酸形成F-6-P。,但這兩個(gè)相反催化活性的酶是集兩種活性為同一多肽鏈的雙功能酶，即N端一半為PFK2的活

34、性中心，C端一半為FBPase2活性中心，一般寫作PPK2/FBPase2。F-6-P激活其PFK2活性而抑制其FBPase2活性，而F-2,6-BP強(qiáng)烈激活PFK。因此，F(xiàn)-6-P高時(shí)促進(jìn)糖酵解進(jìn)行。,當(dāng)血液中葡萄糖水平降低時(shí)，激活胰高血糖素釋放于血液中，啟動(dòng)cAMP級(jí)聯(lián)系統(tǒng)使PFK2/PBPase2多肽上特定的一個(gè)Ser殘基磷酸化，而使FBPase2活化、PFK2抑制，使F-2,6-BP水平降低，從而也降低了糖酵解水平。反之，當(dāng)

35、葡萄糖水平高時(shí)，蛋白磷酸酶水解PFK2/FBPase2上的磷酸導(dǎo)致F-2,6-BP升高，提高糖酵解速率。,④H+對(duì)磷酸果糖激酶的調(diào)節(jié)PFK被H+抑制，因此，在PH明顯下降時(shí)糖酵解速率降低。這防止在缺氧條件下形成過(guò)量的乳酸而導(dǎo)致酸毒癥。5.4.6.2 己糖激酶己糖激酶的別構(gòu)抑制劑為其產(chǎn)物6-磷酸葡萄糖。當(dāng)磷酸果糖激酶活性被抑制時(shí)，底物6-磷酸果糖積累，進(jìn)而使6-磷酸葡萄糖的濃度升高，從而引起己糖激酶活性下降。,5.4.6.3 丙酮酸

36、激酶丙酮酸激酶具有變構(gòu)酶性質(zhì)，高濃度ATP、丙氨酸、乙酰CoA等代謝物抑制其活性，這是生成物對(duì)反應(yīng)本身的反饋抑制。當(dāng)ATP的生成量超過(guò)細(xì)胞自身需要時(shí)，通過(guò)丙酮酸激酶的別構(gòu)抑制使糖酵解速度減低。cAMP激活的蛋白激酶也可使丙酮酸激酶磷酸化而失活。ADP是變構(gòu)激活劑，Mg2+或K+可激活丙酮酸激酶的活性。,5.5 三羧酸循環(huán) (tricarboxylic acid cycle，TCA）1937年，H.A.Krebs以鴿胸肌為材料，研究丙

37、酮酸有氧條件下在線粒體中被氧化分解為CO2，整個(gè)氧化分解過(guò)程構(gòu)成一個(gè)循環(huán)，且反應(yīng)中有三個(gè)羧基的有機(jī)酸，稱為三羧酸循環(huán)，又稱Krebs環(huán)。由于TCA中乙酰CoA與草酰乙酸縮合生成了檸檬酸，又稱為檸檬酸循環(huán)(citric acid cycle)。EMP的終產(chǎn)物丙酮酸在有氧條件下丙酮酸進(jìn)入線粒體，氧化分解為CO2的過(guò)程。,糖降解代謝大部分是在有氧條件下進(jìn)行的，糖的有氧降解實(shí)際上是丙酮酸在有氧條件下的徹底氧化分解，因此無(wú)氧酵解和有氧氧化是在丙

38、酮酸生成以后才分歧的。丙酮酸在線粒體中的氧化可分為兩個(gè)階段：丙酮酸氧化為乙酰CoA和乙酰CoA的乙?；糠纸?jīng)過(guò)三羧酸循環(huán)氧化為CO2。,5.5.1 丙酮酸氧化為乙酰CoA 丙酮酸脫氫酶系(pyruvate dehydrogenase system)催化丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA。,丙酮酸脫氫酶系是一個(gè)多酶復(fù)合體，位于線粒體內(nèi)膜上，由丙酮酸脫羧酶(E1)，硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶(E2)，二氫硫辛酸脫氫酶(E3)3種酶組成。多酶復(fù)合體形成

39、了緊密相連的連鎖反應(yīng)機(jī)構(gòu)，提高了催化效率。酶系催化的反應(yīng)分5步進(jìn)行。涉及焦磷酸硫胺素(TPP)、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA和Mg2+等6種輔因子。,丙酮酸到乙酰CoA處于代謝途徑的分支點(diǎn)，是一個(gè)重要的步驟。丙酮酸氧化脫羧反應(yīng)過(guò)程的第一步脫羧反應(yīng)是不可逆的，這一反應(yīng)體系受到產(chǎn)物和能量物質(zhì)的調(diào)節(jié)。①產(chǎn)物抑制丙酮酸氧化脫羧的3個(gè)產(chǎn)物，其中乙酰CoA抑制硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶E2，NADH抑制二氫硫辛酸脫氫酶E3。抑制效應(yīng)可以被CoA-SH

40、和NAD+逆轉(zhuǎn)。,②核苷酸調(diào)節(jié)丙酮酸脫羧酶E1受GTP抑制，為AMP活化，即當(dāng)細(xì)胞內(nèi)富有活躍的化學(xué)能時(shí)，丙酮酸脫氫酶系活性降低。③共價(jià)修飾調(diào)節(jié)當(dāng)細(xì)胞內(nèi)[ATP]/[ADP]、[NADH]/[NAD+]或[乙酰CoA]/[CoA-SH]比值高時(shí)，丙酮酸脫羧酶分子上特殊的Ser殘基可被專一的磷酸激酶磷酸化，失去活性，當(dāng)酶上的磷酸基團(tuán)被專一的磷酸酶水解時(shí)，活性恢復(fù)。,5.5.2 三羧酸循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)①乙酰CoA與草酰乙酸縮合成檸檬酸在檸

41、檬酸合成酶(citrate synthetase)催化下，乙酰CoA與草酰乙酸縮合成檸檬酸，此反應(yīng)是一個(gè)放能過(guò)程，反應(yīng)不可逆。,乙酰CoA具有硫酯鍵，乙?；凶銐蚰芰颗c草酰乙酸(oxaloacetate)的羧基進(jìn)行醛醇型縮合。先從CH3CO基上除去一個(gè)H+，生成的陰離子對(duì)草酰乙酸的羰基碳進(jìn)行親核攻擊，生成檸檬酰CoA中間體，然后高能硫酯鍵水解放出游離的檸檬酸。,由草酰乙酸和乙酰CoA合成檸檬酸是三羧酸循環(huán)的重要調(diào)節(jié)點(diǎn)（限速酶），檸檬酸合

42、成酶是一個(gè)變構(gòu)酶，ATP是檸檬酸合成酶的變構(gòu)抑制劑，此外，α-酮戊二酸、NADH能變構(gòu)抑制其活性，AMP可對(duì)抗ATP的抑制而起激活作用。,②異檸檬酸形成在順烏頭酸酶催化下，檸檬酸脫水生成順烏頭酸，加水生成異檸檬酸。,③異檸檬酸氧化脫羧生成?-酮戊二酸在異檸檬酸脫氫酶作用下，異檸檬酸氧化脫氫生成草酰琥珀酸(oxalosuccinate) 中間產(chǎn)物，再脫羧生成?-酮戊二酸(?-ketoglutarate)、NADH和CO2，此反應(yīng)為?-

43、氧化脫羧，此酶需要Mn2+作為激活劑。,④ ?-酮戊二酸氧化脫羧在?-酮戊二酸脫氫酶系作用下，?-酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀酰CoA、NADH和CO2，氧化產(chǎn)生的能量中一部分儲(chǔ)存于琥珀酰CoA的高能硫酯鍵中。,?-酮戊二酸脫氫酶系由?-酮戊二酸脫羧酶、硫辛酸琥珀?；D(zhuǎn)移酶、二氫硫辛酸脫氫酶等3個(gè)酶和TPP、硫辛酸、HSCoA、NAD、FAD等5個(gè)輔酶組成。 ?-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體受ATP、GTP、NAPH和琥珀酰CoA抑制，但不受磷

44、酸化/去磷酸化的調(diào)控。,⑤琥珀酸的生成在琥珀酸硫激酶(succinate thiokinase)的作用下，琥珀酰CoA的硫酯鍵水解，生成琥珀酸，釋放的自由能用于合成GTP。在細(xì)菌和高等生物可直接生成ATP，在哺乳動(dòng)物中，先生成GTP，再生成ATP，此時(shí)，琥珀酰CoA生成琥珀酸和輔酶A。,二磷酸核苷激酶GTP+ADP GDP+ATP,,,⑥琥珀酸脫氫生成延胡索酸琥珀酸脫氫酶(s

45、uccinate dehydrogenase)催化琥珀酸氧化成為延胡索酸。,琥珀酸脫氫酶結(jié)合在線粒體內(nèi)膜上，而其他三羧酸循環(huán)的酶都存在于線粒體基質(zhì)中。琥珀酸脫氫酶含有鐵硫中心和共價(jià)結(jié)合的FAD，來(lái)自琥珀酸的電子通過(guò)FAD和鐵硫中心，然后進(jìn)入電子傳遞鏈到O2，丙二酸是琥珀酸的類似物，是琥珀酸脫氫酶強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)性抑制物，所以可以阻斷TCA。,⑦蘋果酸的生成延胡索酸在延胡索酸酶的作用下水化生成蘋果酸。延胡索酸酶僅對(duì)延胡索酸的反式雙鍵起作

46、用，而對(duì)順丁烯二酸(馬來(lái)酸)無(wú)催化作用，因而是高度立體特異性的。,⑧草酰乙酸再生在蘋果酸脫氫酶(malic dehydrogenase)作用下，蘋果酸脫氫氧化生成草酰乙酸。NAD是脫氫酶的輔酶，接受氫成為NADH。,5.5.2.2 草酰乙酸的回補(bǔ)反應(yīng)三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物可參與合成其他物質(zhì)，而其他物質(zhì)也可不斷通過(guò)多種途徑而生成中間產(chǎn)物，所以三羧酸循環(huán)組分處于不斷更新之中。,三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物是很多物質(zhì)合成的原料。例如?-酮戊二酸

47、和草酰乙酸是谷氨酸和天冬氨酸合成的碳架，琥珀酰CoA是卟啉環(huán)合成的前體，檸檬酸轉(zhuǎn)運(yùn)至胞液后裂解成乙酰CoA用于脂肪酸合成。這會(huì)導(dǎo)致草酰乙酸濃度的下降而影響三羧酸循環(huán)的運(yùn)行，通過(guò)丙酮酸的羧化、PEP的羧化、天冬氨酸和谷氨酸轉(zhuǎn)氨等回補(bǔ)反應(yīng)可維持其濃度，使三羧酸循環(huán)正常運(yùn)行。,草酰乙酸的回補(bǔ)主要途徑①丙酮酸的羧化丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下形成草酰乙酸。,在動(dòng)植物和微生物中，還存在由蘋果酸酶和蘋果酸脫氫酶聯(lián)合催化，由丙酮酸合成草酰乙酸的反應(yīng)

48、。,②PEP的羧化PEP在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶作用下形成草酰乙酸。反應(yīng)在胞液中進(jìn)行，生成的草酰乙酸需轉(zhuǎn)變成蘋果酸后穿梭進(jìn)入線粒體，然后再脫氫生成草酰乙酸。,③天冬氨酸和谷氨酸轉(zhuǎn)氨作用天冬氨酸和谷氨酸經(jīng)轉(zhuǎn)氨作用可形成草酰乙酸和?-酮戊二酸。異亮氨酸、纈氨酸和蘇氨酸、甲硫氨酸也可形成琥珀酰CoA。,5.5.2.3 TCA中的化學(xué)計(jì)量和特點(diǎn)①CO2的生成TCA中有3次脫羧基反應(yīng)，通過(guò)脫羧作用生成CO2是機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生CO2的普遍規(guī)律，可

49、見機(jī)體CO2的生成與體外燃燒生成CO2的過(guò)程截然不同。,②脫氫反應(yīng)三羧酸循環(huán)的5次脫氫，其中4對(duì)氫原子還原NAD生成NADH，1對(duì)氫原子還原FAD生成FADH2，它們又經(jīng)線粒體內(nèi)遞氫體系傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，在此過(guò)程中釋放出來(lái)的能量使ADP和Pi結(jié)合生成ATP。,③乙酰CoA進(jìn)入循環(huán)與草酰乙酸縮合生成檸檬酸，在三羧酸循環(huán)中有二次脫羧生成2分子CO2，與進(jìn)入循環(huán)的二碳乙?；奶荚訑?shù)相等，但是，以CO2方式失去的碳并非來(lái)自乙?；膬?/p>

50、個(gè)碳原子，而是來(lái)自草酰乙酸。,1分子丙酮酸經(jīng)TCA脫氫形成4分子NADH和1分子FADH2，經(jīng)氧化磷酸化分別能產(chǎn)生12個(gè)和2個(gè)共14個(gè)ATP分子，加上TCA本身生成的1分子GTP(也可視作1分子ATP)，共15個(gè)ATP分子。每分子葡萄糖能產(chǎn)生兩分子丙酮酸，將產(chǎn)生15?2即30個(gè)分子的ATP。這遠(yuǎn)比酵解所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)大得多。,5.5.3 三羧酸循環(huán)的調(diào)控TCA中檸檬酸合成和?-酮戊二酸的氧化脫羧反應(yīng)是不可逆的，因此整個(gè)TCA只能

51、向單方向進(jìn)行。檸檬酸合酶、檸檬酸脫氫酶和?-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體催化的反應(yīng)是TCA中的限速步驟。其中檸檬酸合酶是關(guān)鍵反應(yīng)的限速酶。,TCA中檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶主要通過(guò)產(chǎn)物的反饋抑制來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的。TCA是機(jī)體產(chǎn)能的主要方式，因此ATP/ADP與NADH/NAD兩者的比值是主要調(diào)節(jié)物。,ATP/ADP比值升高，抑制檸檬酸合成酶和異檸檬酶脫氫酶活性，反之ATP/ADP比值下降可激活。NADH/NAD比值升高

52、抑制檸檬酸合成酶和α-酮戊二酸脫氫酶活性。此外，檸檬酸抑制檸檬酸合成酶活性，而琥珀酰CoA抑制α-酮戊二酸脫氫酶活性。組織中代謝產(chǎn)物決定循環(huán)反應(yīng)的速度，以便調(diào)節(jié)機(jī)體ATP和NADH濃度，保證機(jī)體能量供給。,5.5.4 TCA的生理意義① TCA是機(jī)體獲取能量的主要方式。 1個(gè)分子葡萄糖經(jīng)無(wú)氧酵解僅凈生成2個(gè)分子ATP，而經(jīng)TCA可將糖類徹底氧化分解凈生成38個(gè)ATP。糖的有氧氧化不但釋能效率高，而且逐步釋能，并逐步儲(chǔ)存于ATP

53、分子中，因此TCA是生物體產(chǎn)能最有效的方式。,② TCA是物質(zhì)代謝的樞紐。TCA是糖、脂肪、蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)徹底氧化分解的共同途徑，同時(shí)也是這幾大類物質(zhì)相互轉(zhuǎn)變的中心環(huán)節(jié)，因此具有代謝的樞紐作用。③TCAC的一些中間產(chǎn)物也是某些植物的貯藏物質(zhì)。如檸檬酸、蘋果酸等。,5.6 磷酸戊糖途徑在組織勻漿中加入碘乙酸或氟化物等EMP的抑制劑，仍有一定量的葡萄糖被氧化成水和CO2，同位素標(biāo)記表明，葡萄糖的氧化首先發(fā)生在C1位，證明此過(guò)程不

54、同于EMP途徑。,1955年Racker和Gunsalus等發(fā)現(xiàn)了磷酸戊糖途徑(pentose phosphate pathway，PPP)又稱已糖單磷酸支路(hexose monophosphate shut, HMS)。磷酸戊糖途徑是有O2條件下，在細(xì)胞質(zhì)中將葡萄糖直接氧化分解為CO2的過(guò)程。,5.6.1 生化歷程PPP可分為葡萄糖的直接氧化階段和非氧化的分子重組合階段。5.6.1 葡萄糖的氧化脫羧階段①脫氫反應(yīng)6-磷酸葡

55、萄糖在6-磷酸葡萄糖脫氫酶催化下生成6-磷酸葡萄糖酸內(nèi)酯。,②水解反應(yīng)在6-磷酸葡萄糖酸內(nèi)酯酶催化下，6-磷酸葡萄糖酸內(nèi)酯水解為6-磷酸葡萄糖酸。,③脫氫脫羧反應(yīng)在6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶催化下6-磷酸葡萄糖酸經(jīng)氧化脫羧生成5-磷酸核酮糖、NADPH和CO2。,5.6.1.2 非氧化的分子重組合階段④異構(gòu)化反應(yīng)5-磷酸核酮糖異構(gòu)化為5-磷酸核糖；5-磷酸核酮糖差向異構(gòu)化(異構(gòu)化)為5-磷酸木酮糖。,⑤轉(zhuǎn)酮醇反應(yīng)轉(zhuǎn)酮醇酶催化磷酸酮

56、糖上的2C單位羥乙?；D(zhuǎn)移到磷酸醛糖的C1上，形成3-磷酸甘油醛和7-磷酸景天庚酮糖。轉(zhuǎn)酮醇酶轉(zhuǎn)移1個(gè)2C單位。,⑥轉(zhuǎn)醛醇反應(yīng)轉(zhuǎn)醛醇酶催化7-磷酸景天庚酮糖上的二羥基丙酮基團(tuán)轉(zhuǎn)移給3-磷酸甘油醛生成4-磷酸赤蘚糖和6-磷酸果糖。轉(zhuǎn)醛醇酶轉(zhuǎn)移1個(gè)3C單位。,⑦轉(zhuǎn)酮醇反應(yīng)四碳糖和五碳糖經(jīng)轉(zhuǎn)酮醇酶作用轉(zhuǎn)移二碳單位，形成三碳糖和六碳糖。,⑧異構(gòu)化反應(yīng) 磷酸果糖經(jīng)異構(gòu)化形成6-磷酸葡萄糖。,磷酸戊糖途徑是通過(guò)6-磷酸葡萄糖直接脫氫脫羧將糖氧

57、化分解的，脫氫酶的輔酶為NADP，無(wú)ATP的產(chǎn)生與消耗。,5.6.2 磷酸戊糖途徑的化學(xué)計(jì)量與生物學(xué)意義5.6.2.1 磷酸戊糖途徑的化學(xué)計(jì)量從6分子6-磷酸葡萄糖開始，經(jīng)兩次脫氫氧化及脫羧后，放出6分子CO2，生成6分子5-磷酸核酮糖和12個(gè)NADPH。在以后的非氧化階段反應(yīng)中，6分子5-磷酸核酮糖(共有30個(gè)C)經(jīng)C3、C4、C5、C7等糖中間代謝物，最后轉(zhuǎn)化成5分子6-磷酸葡萄糖(30個(gè)C)。表明經(jīng)6次循環(huán)，1分子6-磷酸葡

58、萄糖被分解而產(chǎn)生6分子CO2。,5.6.2.2 磷酸戊糖途徑的生物學(xué)意義①產(chǎn)生大量的NADPH，為細(xì)胞的各種合成反應(yīng)提供還原力。NADPH作為主要供氫體，為脂肪酸、固醇、四氫葉酸等的合成，非光合細(xì)胞中硝酸鹽、亞硝酸鹽的還原，以及氨的同化、丙酮酸羧化還原成蘋果酸等反應(yīng)所必需。,②磷酸戊糖途徑的中間產(chǎn)物為許多化合物的合成提供原料。如5-磷酸核糖是合成核苷酸的原料，也是NAD、NADP和FAD等的組分。4-磷酸赤蘚糖與EMP中的PEP可

59、合成莽草酸，經(jīng)莽草酸途徑可合成芳香族氨基酸，以及與植物生長(zhǎng)(如生長(zhǎng)素、木質(zhì)素合成)和抗病性(如酚類抗毒素等)有關(guān)的物質(zhì)。,③非氧化重排階段的一系列中間產(chǎn)物及酶類與光合作用中卡爾文循環(huán)的大多數(shù)中間產(chǎn)物和酶相同，因而磷酸戊糖途徑可與光合作用聯(lián)系起來(lái)，并實(shí)現(xiàn)某些單糖間的互變。,5.6.3 磷酸戊糖途徑的調(diào)控在氧化脫羧階段，6-磷酸葡萄糖脫氫酶是磷酸戊糖途徑的限速酶，活性受[NADP]/[NADPH]比率的調(diào)節(jié)，NADPH競(jìng)爭(zhēng)性抑制6-磷酸葡

60、萄糖脫氫酶和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶的活性。因此磷酸戊糖途徑主要受體內(nèi)NADPH的需求量調(diào)節(jié)。,機(jī)體中[NAD]/[NADH]比[NADP]/[NADPH]高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這使NADPH可以進(jìn)行有效的反饋抑制調(diào)控。只有NADPH在脂肪生物合成中被消耗時(shí)才能解除抑制，再通過(guò)6-磷酸葡萄糖脫氫酶產(chǎn)生NADPH。,非氧化階段戊糖的轉(zhuǎn)變主要受控于底物濃度。5-磷酸核糖過(guò)多時(shí)，可轉(zhuǎn)化成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛進(jìn)行酵解。轉(zhuǎn)酮醇酶是PPP途徑非氧化

61、階段的重要酶，其輔因子是TPP，某些遺傳缺陷的人體內(nèi)的轉(zhuǎn)酮醇酶結(jié)合TPP的活力僅為正常人的十分之一，當(dāng)食物中缺乏硫胺素時(shí)，其神經(jīng)功能顯著紊亂，如不能辨認(rèn)方向，記憶力減退，運(yùn)動(dòng)器官麻痹，在充分補(bǔ)充TPP后神經(jīng)癥狀可得到緩解。,5.7 糖醛酸代謝 糖醛酸代謝(uronic acid metabolism)主要在肝臟和紅細(xì)胞中進(jìn)行，它由UDPG上聯(lián)糖原合成途徑，經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)后生成磷酸戊糖而進(jìn)入磷酸戊糖通路，從而構(gòu)成糖分解代謝的另一條通路

62、。,1-磷酸葡萄糖和UTP在UDPG焦磷酸化酶催化下生成UDPG，UDPG經(jīng)UDPG脫氫酶的作用進(jìn)一步氧化脫氫生成尿二磷葡萄糖醛酸，脫氫酶的輔酶是NAD，尿二磷葡萄糖醛酸(UDPGA)脫去UDP生成葡萄糖醛酸(glucuronic acid)。葡萄糖醛酸在一系列酶作用下，經(jīng)NADPH供氫和NAD受氫的二次還原和氧化的過(guò)程，生成5-磷酸木酮糖進(jìn)入磷酸戊糖通路。,糖醛酸代謝的主要生理功能在于代謝過(guò)程中生成了尿二磷葡萄糖醛酸，它是體內(nèi)重要

63、的解毒物質(zhì)之一，同時(shí)又是合成粘多糖的原料。此代謝過(guò)程要消耗NADPH (同時(shí)生成NADH)，而磷酸戊糖通路又生成NADPH，因此兩者關(guān)系密切，當(dāng)磷酸戊糖通路發(fā)生障礙時(shí)，必然會(huì)影響糖醛酸代謝的順利進(jìn)行。,丙酮酸將進(jìn)入線粒體繼續(xù)氧化分解，此過(guò)程中產(chǎn)生的兩對(duì)NADH，由遞氫體α-磷酸甘油或蘋果酸傳遞進(jìn)入線粒體，再經(jīng)線粒體內(nèi)氧化呼吸鏈的傳遞，最后氫與氧結(jié)合生成水，在氫的傳遞過(guò)程釋放能量，其中一部分以ATP形式貯存。,用酶反應(yīng)中間物作為抗原而誘導(dǎo)