1、第八章 物质代谢第一节 糖类代谢对于葡萄糖在体外完全燃烧生成二氧化碳和水，在体内要经过多步化学反应来完成氧化供能。它在体内分解有三种途径：1. 在无氧条件下进行酵解；2. 在有氧条件下进行有氧分解，通过三羧酸循环，完全氧化；3. 通过磷酸戊糖途径进行代谢。一、糖酵解途径糖酵解途径是指细胞在胞浆中分解葡萄糖生成丙酮酸的过程，此过程中伴有少量 ATP 的生成。在缺氧条件下丙酮酸被还原为乳酸。在有氧条件下丙酮酸可进一步氧化分解生成乙酰 CoA 进入三羧酸循环，生成 CO2和 H2O。（一）糖酵解过程 糖酵解分为两个阶段共 10 步反应，每分子葡萄糖经第一阶段共 5 步反应，消耗 2 个分子 ATP
2、为耗能过程，第二阶段经 5 步反应生成 4 个分子 ATP，为释能过程。1. 葡萄糖的磷酸化进入细胞内的葡萄糖首先在第 6 位碳上被磷酸化生成 6-磷酸葡萄糖(G6P)，磷酸根由 ATP 供给，这一过程不仅活化了葡萄糖，有利于它进一步参与合成与分解代谢，同时还能使进入细胞的葡萄糖不再逸出细胞。催化此反应的酶是己糖激酶。己糖激酶催化的反应不可逆，反应需要消耗能量 ATP，Mg2+是反应的激活剂，它能催化葡萄糖、甘露糖、氨基葡萄糖、果糖进行不可逆的磷酸化反应，生成相应的 6-磷酸酯，6磷酸葡萄糖是 HK 的反馈抑制物，此酶是糖氧化反应过程的限速酶或称关键酶它有同工酶-型，、型主要存在于肝外组织，其
3、对葡萄糖 Km值为 10-510-6M。型主要存在于肝脏，特称葡萄糖激酶，对葡萄糖的Km 值 110-2M，正常血糖浓度为 5mmol/L，当血糖浓度升高时，GK 活性增加，葡萄糖和胰岛素能诱导肝脏合成 GK，GK 能催化葡萄糖、甘露糖生成其 6-磷酸酯，6-磷酸葡萄糖对此酶无抑制作用。2. 6-磷酸葡萄糖的异构反应由磷酸己糖异构酶催化 6-磷酸葡萄糖转变为 6-磷酸果糖(F-6-P)的过程，此反应是可逆的。3. 6-磷酸果糖的磷酸化此反应是 6 磷酸果糖第一位上的 C 进一步磷酸化生成 1,6二磷酸果糖，磷酸根由 ATP 供给，催化此反应的酶是磷酸果糖激酶。磷酸果糖激酶催化的反应是不可逆反应
4、，它是糖的有氧氧化过程中最重要的限速酶，它也是变构酶，柠檬酸、ATP 等是变构抑制剂，ADP、AMP、Pi、1,6-二磷酸果糖等是变构激活剂，胰岛素可诱导它的生成。4. 1,6二磷酸果糖裂解反应醛缩酶催化 1,6-二磷酸果糖生成磷酸二羟丙酮和 3-磷酸甘油醛，此反应是可逆的。5. 磷酸二羟丙酮的异构反应磷酸丙糖异构酶催化磷酸二羟丙酮转变为 3磷酸甘油醛，此反应也是可逆的。到此，1 分子葡萄糖生成 2 分子 3-磷酸甘油醛，通过两次磷酸化作用消耗 2 分子 ATP。6. 3-磷酸甘油醛氧化反应此反应由 3-磷酸甘油醛脱氢酶催化 3-磷酸甘油醛氧化脱氢并磷酸化生成含有 1 个高能磷酸键的 1,3二
5、磷酸甘油酸，本反应脱下的氢和电子转给脱氢酶的辅酶 NAD+生成 NADH+H+，磷酸根来自无机磷酸。7. 1,3二磷酸甘油酸的高能磷酸键转移反应在磷酸甘油酸激酶催化下，1,3二磷酸甘油酸生成 3-磷酸甘油酸，同时其 C1上的高能磷酸根转移给 ADP 生成 ATP，这种底物氧化过程中产生的能量直接将 ADP 磷酸化生成 ATP 的过程，称为底物水平磷酸化。此激酶催化的反应是可逆的。8. 3-磷酸甘油酸的变位反应在磷酸甘油酸变位酶催化下 3-磷酸甘油酸 C3位上的磷酸基转变到C2位上生成 2磷酸甘油酸。此反应是可逆的。9. 2-磷酸甘油酸的脱水反应 由烯醇化酶催化，2-磷酸甘油酸脱水的同时，能量重
6、新分配，生成含高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸。本反应也是可逆的。10. 磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸转移在丙酮酸激酶催化下，磷酸烯醇式丙酮酸上的高能磷酸根转移至 ADP生成 ATP，这是又一次底物水平上的磷酸化过程。但此反应是不可逆的。至此，经过糖酵解途径，一个分子葡萄糖可氧化分解产生 2 个分子丙酮酸。在此过程中，经底物水平磷酸化可产生 4 个分子 ATP，如与第一阶段葡萄糖磷酸化和磷酸果糖的磷酸化消耗二分子 ATP 相互抵消，每分子葡萄糖降解至丙酮酸净产生 2 分子 ATP，如从糖原开始，因开始阶段仅消耗 1 分子 ATP，所以每个葡萄糖单位可净生成 3 分子 ATP。葡萄糖+2Pi+2NAD +
7、2ADP2 丙酮酸+2ATP+2NADH+2H +2H2O （二）丙酮酸在无氧条件下生成乳酸氧供应不足时从糖酵解途径生成的丙酮酸转变为乳酸。缺氧时葡萄糖分解为乳酸称为糖酵解，因它和酵母菌生醇发酵非常相似。丙酮酸转变成乳酸由乳酸脱氢酶催化丙酮酸乳酸脱氢酶乳酸在这个反应中丙酮酸起了氢接受体的作用。由 3-磷酸甘油醛脱氢酶反应生成的 NADH+H+，缺氧时不能经电子传递链氧化。正是通过将丙酮酸还原成乳酸，使 NADH 转变成 NAD+，糖酵解才能继续进行。（三）糖酵解的生理意义糖酵解是生物界普遍存在的供能途径，但其释放的能量不多，而且在一般生理情况下，大多数组织有足够的氧以供有氧氧化之需，很少进行糖
8、酵解，因此这一代谢途径供能意义不大，但少数组织，如视网膜、睾丸、肾髓质和红细胞等组织细胞，即使在有氧条件下，仍需从糖酵解获得能量。在某些情况下，糖酵解有特殊的生理意义。例如剧烈运动时，能量需求增加，糖分解加速，此时即使呼吸和循环加快以增加氧的供应量，仍不能满足体内糖完全氧化所需要的能量，这时肌肉处于相对缺氧状态，必须通过糖酵解过程，以补充所需的能量。在剧烈运动后，可见血中乳酸浓度成倍地升高，这是糖酵解加强的结果。又如人们从平原地区进入高原的初期，由于缺氧，组织细胞也往往通过增强糖酵解获得能量。在某些病理情况下，如严重贫血、大量失血、呼吸障碍、肿瘤组织等，组织细胞也需通过糖酵解来获取能量。倘若糖
9、酵解过度，可因乳酸产生过多，而导致酸中毒。二、丙酮酸形成乙酰辅酶 A丙酮酸在有氧状态下，进入线粒体中，丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA 进入三羧酸循环，进而氧化生成 CO2和 H2O，同时 NADH+H+等可经呼吸链传递，伴随氧化磷酸化过程生成 H2O 和 ATP。催化氧化脱羧的酶是丙酮酸脱氢酶系(pyruvate dehydrogenase system)，此多酶复合体由丙酮酸脱氢酶（E 1） ，二氢硫辛酰胺转乙酰酶（E 2）和二氢硫辛酰胺脱氢酶（E 3）按一定比例组成，其组合比例随生物的不同而不同。参与反应的辅酶有硫胺素焦磷酸酯（TPP） 、硫辛酸、FAD+、NAD+及 CoA。其中硫辛酸是带
10、有二硫键的八碳羧酸，通过转乙酰酶的赖氨酸 -氨基相连，形成与酶结合的硫辛酰胺而成为酶的柔性长臂，可将乙酰基从酶复合体的一个活性部位转到另一个活性部位。从丙酮酸到乙酰 CoA 是糖有氧氧化中关键的不可逆反应，催化这个反应的丙酮酸脱氢酶系受到很多因素的影响，反应中的产物，乙酰 CoA和 NADH+H+可以分别抑制酶系中的二氢硫辛酸乙酰转移酶和二氢硫辛酸脱氢酶的活性，丙酮酸脱羧酶(pyruvate decarboxylase,PDC)活性受 ADP和胰岛素的激活，受 ATP 的抑制。三、三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA 循环)（一）三羧酸循环 乙酰 CoA 进入由
11、一连串反应构成的循环体系，被氧化生成 H2O 和CO2。由于这个循环反应开始于乙酰 CoA 与草酰乙酸缩合生成的含有三个羧基的柠檬酸，因此称之为三羧酸循环或柠檬酸循环。这一学说是由Krebs 正式提出，故又称为 Krebs 循环。1. 乙酰 CoA 进入三羧酸循环乙酰 CoA 具有硫酯键，乙酰基有足够能量与草酰乙酸的羧基进行醛醇型缩合。首先从 CH3CO 基上除去一个 H+，生成的阴离子对草酰乙酸的羰基碳进行亲核攻击，生成柠檬酰 CoA 中间体，然后高能硫酯键水解放出游离的柠檬酸，使反应不可逆地向右进行。该反应由柠檬酸合成酶催化，是很强的放能反应。由草酰乙酸和乙酰 CoA 合成柠檬酸是三羧酸循
12、环的重要调节点，柠檬酸合成酶是一个变构酶，ATP 是柠檬酸合成酶的变构抑制剂，此外，-酮戊二酸、NADH 能变构抑制其活性，长链脂酰 CoA 也可抑制它的活性，AMP 可对抗 ATP 的抑制而起激活作用。2. 异柠檬酸形成柠檬酸的叔醇基不易氧化，转变成异柠檬酸而使叔醇变成仲醇，就易于氧化，此反应由顺乌头酸酶催化，为一可逆反应。3. 异柠檬酸被氧化脱羧生成 -酮戊二酸在异柠檬酸脱氢酶作用下，异柠檬酸的仲醇氧化成羰基，生成草酰琥珀酸的中间产物，后者在同一酶表面，快速脱羧生成 -酮戊二酸、NADH 和 CO2，此反应为 -氧化脱羧，此酶需要 Mn2+作为激活剂。此反应是不可逆的，是三羧酸循环中的限速
13、步骤，ADP 是异柠檬酸脱氢酶的激活剂，而 ATP，NADH 是此酶的抑制剂。4. -酮戊二酸脱羧生成琥珀酰 CoA在 -酮戊二酸脱氢酶系作用下，-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA、NADH+H +和 CO2，反应过程完全类似于丙酮酸脱氢酶系催化的氧化脱羧，属于 氧化脱羧，氧化产生的能量中一部分储存于琥珀酰 CoA 的高能硫酯键中。-酮戊二酸脱氢酶系也由三个酶(-酮戊二酸脱羧酶、硫辛酸琥珀酰基转移酶、二氢硫辛酸脱氢酶)和五个辅酶(TPP、硫辛酸、HSCoA、NAD+、FAD)组成。此反应也是不可逆的。-酮戊二酸脱氢酶复合体受ATP、GTP、NAPH 和琥珀酰 CoA 抑制，但其不受磷酸化/去磷
14、酸化的调控。5. 琥珀酸的生成在琥珀酸硫激酶的作用下，琥珀酰 CoA 的硫酯键水解，释放的自由能用于合成 GTP，在细菌和高等生物可直接生成 ATP，在哺乳动物中，先生成 GTP，再生成 ATP，此时，琥珀酰 CoA 生成琥珀酸和辅酶 A。6. 琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化成为延胡索酸。该酶结合在线粒体内膜上，而其他三羧酸循环的酶则都是存在线粒体基质中的，这酶含有铁硫中心和共价结合的 FAD，来自琥珀酸的电子通过 FAD 和铁硫中心，然后进入电子传递链到 O2，丙二酸是琥珀酸的类似物，是琥珀酸脱氢酶强有力的竞争性抑制物，所以可以阻断三羧酸循环。7. 延胡索酸的水化延胡索酸酶仅对延胡索酸
15、的反式双键起作用，而对顺丁烯二酸(马来酸)则无催化作用，因而是高度立体特异性的。8. 草酰乙酸再生在苹果酸脱氢酶作用下，苹果酸仲醇基脱氢氧化成羰基，生成草酰乙酸，NAD+是脱氢酶的辅酶，接受氢成为 NADH+H+。三羰酸循环总结：三羧酸循环中 NADH 的产生： 三羧酸循环中二氧化碳的产生：三羧酸循环总反应式：乙酰 CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO 2+3NADH2+FADH2+GTP+3H+CoASH三羧酸循环的特点： CO2的生成，循环中有两次脱羧基反应(反应 3 和反应 4)两次都同时有脱氢作用，但作用的机理不同，由异柠檬酸脱氢酶所催化的 氧化脱羧，辅酶是 NAD
16、+，它们先使底物脱氢生成草酰琥珀酸，然后在 Mn2+或Mg2+的协同下，脱去羧基，生成 -酮戊二酸。-酮戊二酸脱氢酶系所催化的 氧化脱羧反应和前述丙酮酸脱氢酶系所催经的反应基本相同。应当指出，通过脱羧作用生成 CO2，是机体内产生 CO2的普遍规律，由此可见，机体 CO2的生成与体外燃烧生成 CO2的过程截然不同。三羧酸循环的四次脱氢，其中三对氢原子以 NAD+为受氢体，一对以 FAD 为受氢体，分别还原生成 NADH+H+和 FADH2。它们又经线粒体内递氢体系传递，最终与氧结合生成水，在此过程中释放出来的能量使 ADP和 Pi 结合生成 ATP，凡 NADH+H+参与的递氢体系，每 2H
17、氧化成一分子H2O，生成 3 分子 ATP，而 FADH2参与的递氢体系则生成 2 分子 ATP，再加上三羧酸循环中有一次底物磷酸化产生一分子 ATP，那么，一分子 CH3CO-SCoA 参与三羧酸循环，直至循环终末共生成 12 分子 ATP。 乙酰 CoA 中乙酰基的碳原子，乙酰 CoA 进入循环，与四碳受体分子草酰乙酸缩合，生成六碳的柠檬酸，在三羧酸循环中有二次脱羧生成2 分子 CO2，与进入循环的二碳乙酰基的碳原子数相等，但是，以 CO2方式失去的碳并非来自乙酰基的两个碳原子，而是来自草酰乙酸。 三羧酸循环的中间产物，从理论上讲，可以循环不消耗，但是由于循环中的某些组成成分还可参与合成其
18、他物质，而其他物质也可不断通过多种途径而生成中间产物，所以说三羧酸循环组成成分处于不断更新之中。（二）三羧酸循环的生理意义 1. 三羧酸循环是机体获取能量的主要方式。1 个分子葡萄糖经无氧酵解仅净生成 2 个分子 ATP，而有氧氧化可净生成 38 个 ATP，其中三羧酸循环生成 24 个 ATP，在一般生理条件下，许多组织细胞皆从糖的有氧氧化获得能量。糖的有氧氧化不但释能效率高，而且逐步释能，并逐步储存于 ATP 分子中，因此能的利用率也很高。2. 三羧酸循环是糖，脂肪和蛋白质三种主要有机物在体内彻底氧化的共同代谢途径。三羧酸循环的起始物乙酰辅酶 A，不但是糖氧化分解产物，它也可来自脂肪的甘油
19、、脂肪酸和来自蛋白质的某些氨基酸代谢，因此三羧酸循环实际上是三种主要有机物在体内氧化供能的共同通路，估计人体内 2/3的有机物是通过三羧酸循环而被分解的。3. 三羧酸循环是体内三种主要有机物互变的联结机构。因糖和甘油在体内代谢可生成 -酮戊二酸及草酰乙酸等三羧酸循环的中间产物，这些中间产物可以转变成为某些氨基酸；而有些氨基酸又可通过不同途径变成 -酮戊二酸和草酰乙酸，再经糖异生的途径生成糖或转变成甘油，因此三羧酸循环不仅是三种主要的有机物分解代谢的最终共同途径，而且也是它们互变的联络机构。（三）三羧酸循环的调节丙酮酸脱氢酶复合体受别位调控也受化学修饰调控，该酶复合体受它的催化产物 ATP、乙酰
20、 CoA 和 NADH 有力的抑制，这种别位抑制可被长链脂肪酸所增强，当进入三羧酸循环的乙酰 CoA 减少，而 AMP、辅酶 A和 NAD+堆积，酶复合体就被别位激活，除上述别位调节，在脊椎动物还有第二层次的调节，即酶蛋白的化学修饰，PDH 含有两个亚基，其中一个亚基上特定的一个丝氨酸残基经磷酸化后，酶活性就受抑制，脱磷酸化活性就恢复，磷酸化-脱磷酸化作用是由特异的磷酸激酶和磷酸蛋白磷酸酶分别催化的，它们实际上也是丙酮酸酶复合体的组成，即前已述及的调节蛋白，激酶受 ATP 别位激活，当 ATP 高时，PDH 就磷酸化而被激活，当 ATP 浓度下降，激酶活性也降低，而磷酸酶除去 PDH 上磷酸，
21、PDH 又被激活了。对三羧酸循环中柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和 -酮戊二酸脱氢酶的调节，主要通过产物的反馈抑制来实现的，而三羧酸循环是机体产能的主要方式。因此 ATP/ADP 与 NADH/NAD+两者的比值是其主要调节物。ATP/ADP 比值升高，抑制柠檬酸合成酶和异柠檬酶脱氢酶活性，反之ATP/ADP 比值下降可激活上述两个酶。NADH/NAD+比值升高抑制柠檬酸合成酶和 酮戊二酸脱氢酶活性，除上述 ATP/ADP 与 NADH/NAD+之外其它一些代谢产物对酶的活性也有影响，如柠檬酸抑制柠檬酸合成酶活性，而琥珀酰 CoA 抑制 -酮戊二酸脱氢酶活性。总之，组织中代谢产物决定循环反应的速
22、度，以便调节机体 ATP 和 NADH 浓度，保证机体能量供给。（四） 、三羧酸循环的回补反应（阅读）TCA 循环补充中间产物的代谢途径主要有丙酮酸羧化支路和乙醛酸循环。1、 丙酮酸羧化支路：为 TCA 循环提供草酰乙酸和苹果酸的支路（1）磷酸烯醇氏丙酮酸与二氧化碳生成草酰乙酸，磷酸烯醇氏丙酮酸缩化激酶（2）丙酮酸羧化酶：丙酮酸与二氧化碳发生反应，需要一分子ATP。（3）苹果酸酶：2、 乙醛酸循环：在植物和某些微生物体内存在，反应过程略。3、 柠檬酸发酵：代谢发酵的基本原理：柠檬酸发酵是通过改变微生物固有的代谢平衡，大幅度提高柠檬酸的产量。积累代谢中间产物需要解决两个问题：阻断代谢途径，有适当
23、的补充机制。利用 EMP-TCA 途径积累柠檬酸的措施：1 阻断顺乌头酸催化的反应 2 选育回补途径旺盛的菌种四、葡萄糖的有氧氧化（即有氧分解）葡萄糖在有氧条件下，氧化分解生成二氧化碳和水的过程称为糖的有氧氧化。有氧氧化是糖分解代谢的主要方式，大多数组织中的葡萄糖均进行有氧氧化分解供给机体能量。糖的有氧氧化分两个阶段进行。第一阶段是由葡萄糖生成的丙酮酸，在细胞液中进行。第二阶段是上述过程中产生的 NADH+H+和丙酮酸在有氧状态下，进入线粒体中，丙酮酸氧化脱羧生成乙酰 CoA 进入三羧酸循环，进而氧化生成 CO2和 H2O，同时 NADH+H+等可经呼吸链传递，伴随氧化磷酸化过程生成 H2O
24、和 ATP。总反应式为： C6H12O6+6O2+36ADP+36H3PO4 6CO2+6H2O+36ATP五、磷酸戊糖途径糖酵解和三羧酸循环是葡萄糖氧化的主要途径，葡萄糖通过这一代谢途径，可以产生大量的 ATP。在大多数生物体内，还广泛存在着磷酸戊糖途径，又称磷酸己糖支路，HMP 途径。植物组织中普遍存在，动物及许多微生物中，约有 30%的葡萄糖经此途径氧化。其生物学意义如下：代谢过程中产生 NADPH，为各种物质的代谢合成提供还原力。脂肪酸、胆固醇、四氢叶酸等许多物质的合成需要 NADPH 为供氢体。中间产物可以为其他物质代谢提供原料。磷酸戊糖途径中产生的5-磷酸核糖是合成核酸的重要原料。
25、沟通了戊糖代谢和己糖代谢之间的联系。六、糖的合成代谢（阅读）植物和某些微生物可以利用光合作用合成糖类。动物不能从无机物合成糖类，只能利用食物中的糖获取能量，也可以利用非糖物质异生为糖。1、糖的异生作用（1） 糖异生途径：非糖物质先转化为讨酵解或三羧酸循环中的某一中间产物，然后再转变为葡萄糖。由丙酮酸异生为葡糖的过程大多是糖酵解的逆反应，只有三步是不可逆的。己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的反应是不可逆的，因此这三步是由另外的酶催化的。（2）生理意义：A：维持血糖浓度的恒定。对于主要依靠葡萄糖供能的组织（大脑和红细胞）具有重要意义。B：清除乳酸积累，防止酸中毒。同时可以使肌糖原酵解产生的乳酸重新生成葡萄糖加以利用，使得肌糖原可以间接地转化为血糖。 2、糖原的合成食物中的葡萄糖被吸收后，一部分被转化为糖原。糖原合成的主要场所是肝脏和肌肉组织。
