1、 第五章 糖类分解代谢5.1 新陈代谢概述5.1.1 新陈代谢概述5.1.2 代谢的研究方法5.2 生物体内的糖类5.2.1 单糖5.2.2 寡糖5.2.3 多糖5.3 双糖和多糖的酶促降解5.3.1 蔗糖、麦芽糖、乳糖的酶促降解5.3.2 淀粉(糖原)的酶促降解5.3.3 细胞壁多糖的酶促降解5.4 糖酵解5.4.1 糖酵解的概念5.4.2 糖酵解的化学历程5.4.3 糖酵解的化学计量与生物学意义5.4.4 糖酵解的其他底物5.4.5 丙酮酸的去路5.4.6 糖酵解的调控5.5 三羧酸循环5.5.1 丙酮酸氧化为乙酰 CoA5.5.2 三羧酸循环5.5.3 三羧酸循环的调控5.5.4 三羧酸
2、循环的生物学意义5.6 磷酸戊糖途径5.6.1 磷酸戊糖途径的生化历程5.6.2 磷酸戊糖途径的化学计量与生物学意义5.6.3 磷酸戊糖途径的调控第五章 糖类分解代谢本章提要糖的分解代谢包括：糖酵解糖的共同分解途径；三羧酸循环糖的最后氧化途径；葡萄糖氧化支路磷酸戊糖途径糖的直接氧化途径。动、植物通过淀粉磷酸化酶或淀粉酶水解糖原(淀粉)成葡萄糖。很多微生物则有水解纤维素的酶。蔗糖、乳糖等寡糖经水解和异构化成葡萄糖。葡萄糖经糖酵解三羧酸循环氧化分解产生 CO2 和 NADH、FADH2。磷酸戊糖途径则生成 CO2 和 NADPH，后者是合成代谢的还原剂。糖分解途径的多种中间产物是合成氨基酸、脂肪、
3、核苷酸等的原料。ATP、NADH、NADPH 通过抑制 EMP、TCA 和 HMP 途径的关键酶而抑制整个途径。柠檬酸及脂肪酸也抑制 EMP。果糖 2，6-二磷酸、AMP 则可激活 EMP 途径。糖是生物体重要的能源和碳源。糖分解可释放能量，供给生命活动的需要。糖代谢的中间产物作为碳骨架可以转变成氨基酸、脂肪酸、核苷酸等，糖还是植物体内的重要结构物质。糖类是自然界分布最广的物质之一。糖类代谢为生物提供重要的碳源和能源。生物所需的能量，主要由糖分解代谢提供。1 g 葡萄糖经彻底氧化分解可释放约 16.74 kJ(千焦耳)的能量。糖类代谢的中间产物可为氨基酸、核苷酸、脂肪、类固醇的合成提供碳原子或
4、碳骨架。糖的分解代谢指大分子糖经酶促降解生成小分子单糖后，进一步氧化分解成 CO2 和 H2O，并释放出能量的生物化学变化过程。糖的分解代谢是生物体广泛存在的最基本代谢，在叙述糖分解代谢之前，先对新陈代谢的概念做一总的论述。5.1 新陈代谢概述5.1.1 新陈代谢概述新陈代谢(metabolism)是生物的基本特征之一。新陈代谢又称物质代谢，指生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程。生物体一方面不断地从周围环境中摄取物质，通过一系列生化反应转变为自己的组成成分，即所谓同化作用(assimilation)；另一方面，将原有的组成成分经过一系列生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，即所谓
5、异化作用(dissimilation)。通过上述过程不断地进行自我更新。新陈代谢所包括的同化作用(合成代谢)和异化作用(分解代谢)中，前者是吸能过程，后者是放能过程。合成和分解代谢既包含着生物体的物质改变，又包含着生物体在生命活动中的能量变化。其关系可表示如下。生物体的新陈代谢合成代谢(同化作用) 分解代谢(异化作用)生物小分子合成为生物大分子 生物大分子分解为生物小分子物质代谢需要能量(来自分解代谢及光、热等) 放能量(用于合成代谢和生理及运动需能)作为一切生命现象生化基础的新陈代谢，是建立在合成代谢与分解代谢矛盾对立和统一的基础上的，两者间相互联系、相互依存，而且相互制约。一个总的合成代谢
6、过程，常常包括着一些分解反应；而一个总的分解代谢过程也常常包括着一些合成反应和能量消耗(如活化过程)。另外，合成代谢为分解代谢提供了物质前提，使外部物质变为内部物质，并贮存了能量；同时，分解代谢为合成代谢提供了原料(分解代谢中间物)和必需的能量，使部分内部物质变为外部物质(植物呼吸中 CO2 的释放，动物废弃物的排泄等)。在生命进程中，合成代谢和分解代谢的主次关系也在相互转化，逐渐从以合成代谢为主转化为以分解代谢为主，由于这种转化，就使生物个体的发展呈现出生长、发育和衰老等不同阶段。各种生物都具有各自特异的新陈代谢类型，此特异方式主要决定于遗传，环境条件也有一定的影响。但都有共同的特点:绝大多
7、数代谢反应在温和条件下，由酶催化进行；繁多的代谢反应相互配合，有条不紊，彼此协调且有严格的顺序性；是对内外环境条件高度适应和灵敏调节而成的一个有规律的总过程。每一代谢都有各自的代谢途径(或称为代谢的化学途径)，代谢反应中任一反应物、中间物或产物，都称为代谢物(metabolite)；无论是生物大分子的合成还是生物大分子的分解都是逐步进行的，伴随着的能量吸收和释放也是逐步进行的。5.1.2 代谢的研究方法代谢研究主要是指中间代谢的研究方法。所谓中间代谢指某一代谢中的一系列酶促反应。研究方法主要包括以下几方面。1. 示踪法包括：苯环化合物示踪法，如 Knoop 利用苯甲酸、苯乙酸标记脂肪酸，提出了
8、脂肪酸 -氧化学说；稳定同位素示踪法，如利用 15NH4Cl，标记 DNA 分子从而证明了DNA 的半保留复制方式；放射性同位素示踪法，如卡尔文以 14CO2 饲喂植物，再用纸层析分离 CO2 代谢的中间物，从而提出光合作用中 CO2 转变为糖的循环代谢卡尔文循环(Calvin cycle)。2. 抗代谢物、酶抑制剂的应用在离体条件下，使用抗代谢物(如磺胺类药物)和酶抑制剂来阻抑、改变反应，观察这些反应被抑制或改变以后的结果，从而推测中间代谢的情况。3. 体内试验和体外试验中间代谢研究时用生物整体进行研究，称之为“体内研究” ，用拉丁语“in vivo”(意即“在体内”)表示。 “in viv
9、o”也包括用整体器官或微生物细胞群进行的研究。而用组织切片、匀浆、提取液为材料进行研究则称之为体外研究，用“in vitro”或“no vivo”(意即“在体外” 、 “在试管内”)表示。Knoop 以犬为研究对象，饲喂苯环标记的脂肪酸，再研究犬尿中苯标记物状态，是“体内研究” ；而最早研究三羧酸循环的 Krebs 以肌肉糜(匀浆)为材料，研究酶抑制剂(或抗代谢物)和反应物的加入对反应中间物和代谢终产物的影响，确定了三羧酸循环的反应历程，是“体外研究” 。在实际工作中应根据不同的研究对象采用不同研究方法，但以上方法中最有效、最常用的方法是同位素示踪法(isotopic tracer techn
10、ique)。5.2 生物体内的糖类生物体内的糖类化合物，按其组成分为单糖、寡糖和多糖。5.2.1 单糖单糖是最简单的糖，不再被水解成更小的糖单位。根据其所含碳原子数目分为丙糖、丁糖、戊糖和己糖。根据其结构特点又分为醛糖和酮糖。任何单糖的构型，都是由甘油醛及二羟丙酮派生的(见图 5-1，5-2)。图 5-1 D-醛糖图 5-1 D-酮糖链状醛糖和酮糖，常由于醛基或酮基(C 1或 C2)与分子末端CH 2OH(C6或 C5)基相邻的 C原子上的OH 形成半缩醛而形成六元环(吡喃糖)或五元环(呋喃糖)的环状分子，因此其醛基不如一般醛基活泼。糖类环状结构的书写方式常遵循 W.N.Haworth 提出的
11、规定:1 吡喃糖式写成六角平面形，呋喃糖式写成五角平面形；2 链式结构中左边的各基团写在环的平面上，右边的各基团写在环的平面下，即“左上右下” 。3 如有环外碳原子，如吡喃己糖的 C6或呋喃戊糖的 C5，书写时 D-型糖环外碳原子及所带基团在环平面上，L-型糖环外碳原子所带基团写在环平面下，即“D 上 L 下” 。4-D- 醛糖 C1 的OH 在环平面下，-D-醛糖 C1的OH 在环平面上，即 C1 的OH 基写法是“ 下， 上” 。-酮糖的第 1 位碳及其基团写在平面上，-酮糖的第 1 位碳原子及其基团写在环平面下。522 寡糖寡糖(oligosaccharide)是少数单糖(210 个)的
12、缩合产物，低聚糖通常是指 20 个以下的单糖的缩合产物。自然界中常见的寡糖见表 5-2，常见双糖结构见图 5-3。乳 糖 蔗糖图 5-3 常见双糖已发现在很多重要的动、植物分子中都有寡糖，如糖蛋白、动物激素、抗体、动物生长素等。寡糖也存在于细胞膜中，糖链凸出于细胞膜表面是细胞间识别的基础。523 多糖多糖(polysaccharide)是多个单糖基以糖苷键连接而形成的高聚物。常见的多糖多数由一种类型的糖基组成，如淀粉(starch)(糖原，glucogen)、果胶(pectin)、纤维素(cellulose)、菊粉等(inulin)；也有的含有一种以上的糖及其衍生物残基，如各种形式的粘多糖(m
13、ucoitin)(表 5-3)。常见多糖结构见图 5-4。同多糖（Homo-） 杂多糖（hetero）图 5-4 淀粉结构a.直链淀粉，b.支链淀粉, c.还原与非还原端5.3 双糖和多糖的酶促降解5.3.1 蔗糖、麦芽糖、乳糖的酶促降解5.3.1.1 蔗糖的水解蔗糖是在植物界中分布最广的双糖，特别是在甘蔗、甜菜和菠萝的汁液中含量很丰富。蔗糖是重要的光合产物，也是植物体糖类运输的主要形式。蔗糖的水解主要通过两种酶:1.蔗糖合成酶(sucrose synthetase)催化蔗糖与 UDP 反应生成果糖和尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)，反应可逆。蔗糖+UDP 蔗糖合成酶 UDPG+果糖2 蔗糖酶(s
14、ucrase)可催化蔗糖水解成葡萄糖和果糖:蔗糖+H2O 葡萄糖+果糖蔗糖酶又叫转化酶(invertase)，广泛存在于植物体内。蔗糖水解时，糖苷键断裂的自由能变化为 G=-2762 kJmol-1，反应不可逆。G表示 pH7.0 时的自由能变化(见612) 。5.3.1.2 麦芽糖的水解麦芽糖由麦芽糖酶(maltase)水解形成葡萄糖。在植物体内，麦芽糖酶常与淀粉酶同时存在。麦芽糖+H2O 麦芽糖酶 2 葡萄糖5.3.1.3 乳糖的水解乳糖由 -半乳糖苷酶(galactosidase)催化水解形成 D-葡萄糖和 D-半乳糖。乳糖+H2O-半乳糖苷酶葡萄糖+半乳糖5.3.2 淀粉(糖原)的酶促
15、降解淀粉是高等植物的贮存多糖。它是人类粮食及动物饲料的重要来源。植物种子萌发和生长所需的能源主要靠自身的淀粉分解提供。人类及动物在代谢中所需的能量主要由食物中的糖类(淀粉)供给。动物淀粉糖原主要储藏在肝脏和骨骼肌中，除此之外，细菌、酵母、真菌及甜玉米中也发现有糖原的存在。淀粉(或糖原)在酶的作用下，通过两种途径降解：水解，磷酸解，降解的产物也因此而异。5.3.2.1 淀粉的酶促水解在植物中参与淀粉水解的酶有 -淀粉酶(-amylase)、-淀粉酶(-amylase)、脱支酶(debranching enzyme)和麦芽糖酶。1 -淀粉酶为淀粉内切酶，其作用方式是在淀粉分子内部随机切断(水解)-
16、1，4 糖苷键。如果底物是直链淀粉，生成葡萄糖和麦芽糖的混合物。如果底物是支链淀粉，则水解产物中除上述产物外，还有含有 -1，6 糖苷键的糊精(图 5-5)。2 -淀粉酶为淀粉外切酶，水解 -1，4-糖苷键，它作用于多糖的非还原端而生成麦芽糖。所以当 -淀粉酶作用于直链淀粉时，能生成定量的麦芽糖。当底物为支链淀粉或糖原时，产物为麦芽糖和极限糊精。后者是淀粉酶不能再分解的支链淀粉残余(图 5-5)。图 5-5 淀粉酶的作用-淀粉酶适于作为淀粉粒中淀粉水解酶而广泛分布于植物中，但在种子中只有萌发时才被诱导合成；-淀粉酶存在于休眠种子中或大豆种子及块茎、块根等器官中。两种淀粉酶的特性不同。-淀粉酶耐
17、高温，在 70 时 15 min 不变性失活，但不耐酸，当 pH33时即失去活性；-淀粉酶恰好相反，70 下酶蛋白很易变性失活，但在 pH33 时仍保持活性。根据上述性质，通过调节温度或 pH 可分别测定两种酶的活性。淀粉酶也存在于动物和微生物中，如动物消化器官的唾液、小肠中。3.脱支酶(又称 R 酶)是专一水解 -1，6 糖苷键的酶。支链淀粉经淀粉酶水解产生的极限糊精，由脱支酶水解去除 -1，6 键连接的葡萄糖，再在 -淀粉酶和 -淀粉酶作用下彻底水解。4. 麦芽糖酶水解淀粉酶解产物麦芽糖和糊精中的 -1，4 糖苷键，水解产物为葡萄糖。5.3.2.2 淀粉的磷酸解淀粉磷酸化酶(amyloph
18、osphorylase)催化 -1，4 葡聚糖非还原末端的葡萄糖残基转移给正磷酸，产生 G-1-P，同时产生的一个新的非还原末端又重复上述磷酸解过程。该酶广泛存在于高等植物的叶片及绝大多数贮藏器官中。淀粉+nH 3PO4淀粉磷酸化酶 nG-1-P5.3.2.3 糖原的磷酸解糖原磷酸化酶(glycogen phosphorylase)是糖原降解的限速酶，有活性和非活性两种形态，分别称为糖原磷酸化酶 a(活化态)和糖原磷酸化酶 b(失活态)，两者在一定条件下可相互转变。糖原磷酸解时，在酶 a 的作用下，从糖原非还原端逐个磷酸解下葡萄糖基，生成 G-1-P，切至离分支点 4 个葡萄糖残基处停止，然后
19、由 -1，4-1，6-寡聚糖基转移酶(oligosaccharyl trans ferase)切下分支点上的麦芽三糖，同时将它转移到另一链上，以-1，4 糖苷键连接，被加长了的支链仍由糖原磷酸化酶 a 磷酸解，而连接有 1 个葡萄糖残基的 -1，6 糖苷键由脱支酶水解形成葡萄糖。糖原磷酸解过程如图 5-6 所示。糖原磷酸化酶主要存在于动物肝脏中，通过糖原分解直接补充血糖。5.4 糖酵解5.4.1 糖酵解的概念自然界中有机体获得化学能的最原始的途径为糖酵解(glycolysis)。糖酵解是将葡萄糖降解为丙酮酸并伴随着 ATP 生成的一系列反应，是一切生物有机体中普遍存在的葡萄糖降解的途径。糖酵解
20、过程于 1940 年最终得到阐明，在这项研究中，三位生物化学家GEmbden ，O.Meyerhof，J.K.Parnas 等的贡献最大，故糖酵解途径又称为 Embden-Meyerhof-Parnas 途径，简称 EMP 途径。5.4.2 糖酵解的化学历程糖酵解在细胞质中进行，可划分为三个阶段，即己糖的磷酸化、磷酸己糖的裂解及ATP 和丙酮酸的生成，在每一阶段中，又包含若干反应。5.4.2.1 己糖的磷酸化己糖通过两次磷酸化反应，将葡萄糖活化为 1，6-二磷酸果糖，为裂解成 2 分子磷酸丙糖作准备。这一阶段共消耗 2 分子 ATP，可称为耗能活化阶段，有三步反应:5422 磷酸己糖的裂解这一
21、阶段反应包括 1，6-二磷酸果糖裂解为二分子磷酸丙糖，以及磷酸丙糖的相互转化。5423 3-磷酸甘油醛生成丙酮酸在此阶段有一步氧化反应和二步产能反应，3-磷酸甘油醛最终生成丙酮酸，释放的能量可由 ADP 转变成 ATP 贮存。543 糖酵解的化学计量与生物学意义在从葡萄糖转变成丙酮酸过程中其净反应如下:C6H12O6 + 2ADP+ 2Pi+ 2NAD 2CH 3COCOOH+2ATP+2NADH+2H+2H2O在糖酵解过程的起始阶段消耗 2 分子 ATP，形成 1，6-二磷酸果糖，以后在 1，3-二磷酸甘油酸及磷酸烯醇式丙酮酸反应中各形成 2 分子 ATP。因此糖酵解过程净产生 2 分子AT
22、P(表 5-4)。另外，生成的 2 分子 NADH 若进入有氧的彻底氧化途径可产生 6 分子或 4 分子 ATP。糖酵解的历程糖酵解在生物体中普遍存在，它在无氧及有氧条件下都能进行，是葡萄糖进行有氧或无氧分解的共同代谢途径。通过糖酵解，生物体获得生命活动所需的部分能量。对于厌氧生物或供氧不足的组织来说，糖酵解是糖分解的主要形式，也是获得能量的主要方式。此外，糖酵解途径中形成的许多中间产物，可作为合成其他物质的原料，如磷酸二羟丙酮可转变为甘油，丙酮酸可转变为丙氨酸或乙酰 CoA，后者是脂肪酸合成的原料，这样就使糖酵解与其他代谢途径联系起来，实现物质间的相互转化。糖酵解途径虽然有三步反应不可逆，但
23、其余反应均可逆转，这就为糖异生作用提供了基本途径。544 糖酵解的其他底物葡萄糖不是糖酵解的唯一底物，细胞中的许多其他糖类通过转变，也可成为糖酵解的底物或中间产物进入酵解途径。不同的糖类有各自的转变途径。545 丙酮酸的去路糖酵解生成的终产物如何进一步分解代谢，其去路最关键的是取决于氧的有无。在有氧条件下，丙酮酸先氧化脱羧生成乙酰 CoA，再经三羧循环和电子传递链彻底氧化成 CO2和 H2O，并产生比糖酵解多得多的 ATP；在无氧条件下，丙酮酸不能进一步氧化，或还原生成乳酸，或生成乙醇。5451 变为乙酰 CoA在有氧条件下丙酮酸进入线粒体变成乙酰 CoA 参加三羧酸循环，被彻底氧化生成 CO
24、2和 H2O。5452 生成乳酸在厌氧酵解时，如乳酸杆菌或肌肉由于剧烈运动而暂时缺氧时，丙酮酸接受 3-磷酸甘油醛脱氢酶形成的 NADH 上的氢，在乳酸脱氢酶催化下形成乳酸。乳酸发酵可用于生产奶酪、酸奶、食用泡菜及青贮饲料等。5.4.5.3 生成乙醇在酵母菌或其他微生物中，丙酮酸脱羧酶催化丙酮酸脱羧变成乙醛，该酶需 TPP 为辅酶。乙醛继而在醇脱氢酶催化下被 NADH 还原形成乙醇。乙醇发酵也存在于真菌和缺氧的植物器官(如淹水的根)中。乙醇发酵可用于酿酒、面包制作等。在有氧条件下乙醛可被氧化生成乙酸。丙酮酸的三个去路546 糖酵解的调控糖酵解中有三步反应由于大量释放自由能而不可逆，它们分别由己
25、糖激酶、磷酸果糖激酶(PFK)和丙酮酸激酶催化。因此这三种酶调节着糖酵解的速度，以满足细胞对 ATP 和合成原料的需要。1 磷酸果糖激酶是糖酵解过程中最重要的调节酶，酵解速度主要决定于该酶活性，因此它是一个限速酶。此酶活性通过几种途径被调节：AMP 是磷酸果糖激酶的别构激活剂，而ATP 是该酶的别构抑制剂。ATP 既是该酶作用的底物，又起抑制作用，究竟起何种作用决定于 ATP 的浓度及酶的活性中心和别构中心对 ATP 的亲和力。该酶的活性中心对 ATP 的 Km 值低，而别构中心对 ATP 的 Km 值高。因此，当 ATP 浓度低时，ATP 和酶的活性中心结合作为底物，酶发挥正常的催化功能；当
26、 ATP 浓度高时，ATP 可被酶的别构中心结合，引起酶构象改变而失活，ATP 是别构抑制剂。总之，ATP 通过浓度变化影响磷酸果糖激酶活性，调节糖酵解速度。磷酸果糖激酶还受柠檬酸、脂肪酸别构抑制，后两种物质分别是糖有氧分解中间物和以糖分解中间物为原料合成的产物。 受果糖-2，6-二磷酸(F-2，6-BP)调节，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(FBPase2)催化 F-2，6-BP 水解去磷酸形成 F-6-P(图5-9)。但这两个相反催化活性的酶是集两种活性为同一多肽链的双功能酶
27、，即 N 端一半为PFK2 的活性中心，C 端一半为 FBPase2 活性中心，一般写作 PFK2/FBPase2。F-6-P 激活其PFK2 活性而抑制其 FBPase2 活性，而 F-2，6-BP 强烈激活 PFK。因此，F-6-P 高时促进糖酵解进行。当血液中葡萄糖水平降低时，激活胰高血糖素释放于血液中，启动 cAMP 级联系统使 PFK2/FBPase2 多肽上特定的一个 Ser 残基磷酸化，而使 FBPase2 活化、PFK2 抑制，使 F-2，6-BP 水平降低，从而也降低了糖酵解水平。反之，当葡萄糖水平高时，蛋白磷酸酶水解 PFK2/FBPase2 上的磷酸导致 F-2，6-BP
28、 升高，提高糖酵解速率。 受 H+离子调节、PFK 被 H+抑制，因此，在 pH 明显下降时糖酵解速率降低。这防止在缺氧条件下形成过量的乳酸而导致酸毒症。2 己糖激酶己糖激酶的别构抑制剂为其产物 6-磷酸葡萄糖。当磷酸果糖激酶活性被抑制时，该酶的底物 6-磷酸果糖积累，进而使 6-磷酸葡萄糖的浓度升高，从而引起己糖激酶活性下降。3 丙酮酸激酶丙酮酸激酶活性也受高浓度 ATP、丙氨酸、乙酰 CoA 等代谢物的抑制，这是生成物对反应本身的反馈抑制。当 ATP 的生成量超过细胞自身需要时，通过丙酮酸激酶的别构抑制使糖酵解速度减低。cAMP 激活的蛋白激酶也可使丙酮酸激酶磷酸化而失活。F-1，6-P
29、是该酶的激活剂。55 三羧酸循环大部分生物的糖降解代谢是在有氧条件下进行的，糖的有氧降解实际上是丙酮酸在有氧条件下的彻底氧化分解，因此无氧酵解和有氧氧化是在丙酮酸生成以后才分歧的。丙酮酸以后的氧化都是在线粒体中进行的，可分为两个阶段进行:丙酮酸氧化为乙酰 CoA 和乙酰CoA 的乙酰基部分经过一个循环式系列反应三羧酸循环被彻底氧化为 CO2 和 H2O，同时释放出大量能量。551 丙酮酸氧化为乙酰 CoA丙酮酸氧化脱羧形成乙酰 CoA 的反应是连接酵解和三羧酸循环的中心环节，反应不可逆，由丙酮酸脱氢酶系催化:丙酮酸脱氢酶系是一个多酶复合体，位于线粒体内膜上。组成酶系的共有三种酶:丙酮酸脱羧酶(
30、E1)，硫辛酸乙酰转移酶(E2)，二氢硫辛酸脱氢酶(E3)。酶系催化的反应分 5 步进行(图 5-10)。涉及到的辅因子包括焦磷酸硫胺素(TPP)、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA 和Mg2+等 6 种。图 5-10 丙酮酸脱氢酶系整个丙酮酸氧化脱羧反应过程，只有第一步脱羧反应是不可逆的。由于丙酮酸到乙酰CoA 是一个重要的步骤，处于代谢途径的分支点，这一反应体系受到产物和能量物质的调节:(1)产物抑制:丙酮酸氧化脱羧的 3 个产物，其中乙酰 CoA 抑制硫辛酸乙酰转移酶E2，NADH 抑制二氢硫辛酸脱氢酶 E3。抑制效应可以被相应的反应物 CoA 和 NAD+逆转。(2)核苷酸调节:丙酮酸脱
31、羧酶 E1 受 GTP 抑制，为 AMP 活化，即当细胞内富有立即可利用的能量时，丙酮酸脱氢酶系活性降低。(3)共价修饰调节：当细胞内ATP/ADP 、 NADH/NAD+或乙酰 CoA/CoA-SH比值高时，丙酮酸脱羧酶分子上特殊的 Ser 残基可被专一的磷酸激酶磷酸化，变得没有活性，当酶上的磷酸基团被专一的磷酸酶水解时又恢复活性。552 三羧酸循环三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle)，简称 TCA 循环，又名柠檬酸循环，是德国科学家 Krebs 通过总结前人工作及他本人利用鸽胸肌进行的一系列实验于 1937 年提出的，因此也称 Krebs 循环。这一途径在动植物、
32、微生物细胞中普遍存在，不仅是糖分解代谢的主要途径，也是脂肪、蛋白质分解代谢的最终途径，具有重要的生理意义。这是生物化学领域中一项经典性成就，为此 Krebs 于 1953 年获得诺贝尔奖。5521 三羧酸循环的反应历程三羧酸循环包括合成、加水、脱氢、脱羧等多步反应:1乙酰辅酶 A 与草酰乙酸缩合成柠檬酸乙酰 CoA 在柠檬酸合酶催化下与草酰乙酸缩合成柠檬酸 CoA，然后高能硫酯键水解形成柠檬酸并释放 CoASH，放出大量能量(G=-3222 kJmol-1)使反应不可逆。2、3 柠檬酸异构化生成异柠檬酸柠檬酸脱水生成顺乌头酸，然后加水生成异柠檬酸。两步反应均由顺乌头酸酶催化。4异柠檬酸氧化脱羧
33、生成 -酮戊二酸反应是在异柠檬酸脱氢酶的催化下，异柠檬酸脱下2 个 H，其中间物草酰琥珀酸是一个不稳定的 -酮酸，与酶结合即脱羧形成 -酮戊二酸。5-酮戊二酸氧化脱羧反应这是三羧酸循环中第 2 个氧化脱羧反应，由 -酮戊二酸脱氢酶系催化，该酶系与丙酮酸脱氢酶系的结构和催化机制相似，并同样受产物 NADH、琥珀酰 CoA 及 ATP、GTP 反馈抑制，但不受磷酸化调节，反应不可逆(下式中 LSS表示二硫辛酸)。6琥珀酸的生成琥珀酰 CoA 含有一个高能硫酯键，是高能化合物，在琥珀酸硫激酶催化下，硫酯键水解释放的能量使 GDP 磷酸化生成 GTP，同时生成琥珀酸。GTP 可将磷酰基转给 ADP形成
34、 ATP。这是三羧酸循环中唯一的底物水平磷酸化直接产生高能磷酸化合物的反应。在植物中琥珀酰 CoA 直接生成的是 ATP 而不是 GTP。7延胡索酸的生成在琥珀酸脱氢酶的催化下，琥珀酸脱氢生成延胡索酸，氢受体是酶的辅基 FAD。这是三羧酸循环中第 3 步氧化还原反应。琥珀酸脱氢酶是 TCA 循环中唯一结合在线粒体内膜上并直接与呼吸链联系的酶，此酶为含铁的黄素蛋白酶，除含有 FAD 辅基外，还含有酸不稳定硫原子和非血红素铁(铁硫蛋白)。反应产物为延胡索酸(反丁烯二酸)而不是顺丁烯二酸。丙二酸、戊二酸等是该酶的竞争性抑制剂。8苹果酸的生成延胡索酸在延胡索酸酶作用下水化生成苹果酸。9草酰乙酸的再生苹
35、果酸在苹果酸脱氢酶的作用下氧化脱氢生成草酰乙酸，这是 TCA 循环的第 4 次氧化还原反应，也是循环的最后一步反应。至此，草酰乙酸又重新形成，又可接受进入循环的乙酰 CoA 分子。图 5-11 羧酸循环5522 草酰乙酸的回补反应三羧酸循环中间物是很多生物合成的前体。例如 -酮戊二酸和草酰乙酸是谷氨酸和天冬氨酸合成的碳架；琥珀酰 CoA 是卟啉环合成的前体(在动物和细菌中)；柠檬酸转运至胞液后裂解成乙酰 CoA 用于脂肪酸合成。上述过程均导致草酰乙酸浓度下降，从而影响三羧酸循环的进行，因此必须不断补充才能维持循环正常进行。这种补充称为回补反应(图5-12)。草酰乙酸的回补主要通过 3 个途径:
36、5523 三羧酸循环的化学计量和特点三羧酸循环包含有 8 种酶催化的 9 步反应(表 5-5)，总反应式为:CH3C-SCoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O 2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP + CoASH + 3H+其中前 4 步反应为三羧酸反应，后 5 步为二羧酸反应。循环有以下特点:1.乙酰 CoA 与草酰乙酸缩合形成柠檬酸，使两个碳原子进入循环。在以后异柠檬酸脱氢酶及 -酮戊二酸脱氢酶催化的脱羧反应中，有两个碳原子以 CO2 的形式离开循环，相当于乙酰 CoA 的 2 个碳原子被氧化成 CO2。2.在循环中底物上有 4 对氢原子通过
37、 4 步氧化反应脱下，其中有三对是在异柠檬酸、-酮戊二酸氧化脱羧和苹果酸氧化时用以还原 NAD+，有一对是琥珀酸氧化时用以还原 FAD。3.由琥珀酰 CoA 形成琥珀酸时偶联有底物水平磷酸化生成 GTP(植物中为 ATP)。4.在循环中消耗二分子水:一分子用于合成柠檬酸，另一分子用于延胡索酸加水。实际上在琥珀酰 CoA 合成酶催化的反应中 GDP 磷酸化所释放的水也用于高能硫酯键的水解。水的加入相当于向中间物加入了氧原子，促进了还原性碳原子的氧化。5.三羧酸循环形成的 NADH 及 FADH2 在以后被电子传递链氧化。当电子或 H 通过电子传递体传给 O2 时偶联生成 ATP。每个 NADH
38、生成 3 个 ATP，每个 FADH2 生成 2 个 ATP，因此一分子乙酰 CoA 通过三羧酸循环被氧化可生成 12 分子 ATP。6.分子氧不直接参加到三羧酸循环中去，但若无氧，NADH 和 FADH2 不能再生，从而使三羧酸循环不能进行。因此，三羧酸循环是严格需氧的。5.5.3 三羧酸循环的调控三羧酸循环的多个反应是可逆的，但由于柠檬酸的合成及 -酮戊二酸的氧化脱羧二步反应不可逆，故整个循环只能单方向进行。三羧酸循环调节的部位主要有三个，即柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和 -酮戊二酸脱氢酶催化的反应。调节的关键因素是NADH/NAD+ 、 ATP/ADP的比值和草酰乙酸、乙酰 CoA 等代谢
39、物的浓度。柠檬酸合酶是该途径的关键限速酶，NADH、ATP(别构抑制)抑制该酶的活性，它们能提高酶对乙酰 CoA 的 Km 值。草酰乙酸和乙酰 CoA 浓度高时，可激活该酶。此外，ADP 能激活异柠檬酸脱氢酶，而琥珀酸 CoA 和 NADH 抑制它的活性。NADH 和琥珀酰 CoA 抑制 -酮戊二酸脱氢酶活性。5.5.4 三羧酸循环的生物学意义现已证明在生物界中，包括动物、植物及微生物中都普遍存在着三羧酸循环。三羧酸循环与糖酵解相连构成糖的有氧氧化途径。此途径产生的能量最多，是机体利用糖或其他物质氧化获得能量的最有效方式。三羧酸循环是糖、脂和蛋白质等物质代谢和转化的枢纽。TCA 循环一方面是糖
40、、脂肪和氨基酸彻底氧化分解的共同途径，另一方面循环中间物如草酰乙酸、-酮戊二酸、柠檬酸、琥珀酰 CoA 和延胡索酸等又是合成糖、脂肪酸、氨基酸和卟啉环等的原料和碳骨架，成为各种物质代谢的枢纽。在植物体内三羧酸循环中间物如柠檬酸、苹果酸等既是生物氧化基质，也是一定生长发育时期一定器官中的积累物质，如柠檬、苹果分别富含柠檬酸和苹果酸。5.6 磷酸戊糖途径糖的无氧酵解和有氧氧化过程是生物体内糖分解的主要途径，但非唯一途径，这由以下实验证明:在组织匀浆中添加酵解抑制剂，如碘乙酸或氟化物等，仍有一定量的葡萄糖被氧化成 CO2和水；用同位素 14C 分别标记葡萄糖 C1和 C6，如果糖酵解是唯一代谢途径，
41、则14C1和 14C6生成 14CO2的速度应该相同。但实验结果表明 14C1更容易氧化成 14CO2。1954 年Racker，1955 年 Gunsalus 等人发现了磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway,PPP),又称己糖磷酸支路(hexose-monophosphate shunt,HMS)。5.6.1 磷酸戊糖途径的生化历程磷酸戊糖途径可分为两个阶段:葡萄糖的直接氧化脱羧阶段和非氧化的分子重排阶段。5.6.1.1 葡萄糖的氧化脱羧阶段此阶段包括三步反应，即脱氢、水解和脱氢脱羧反应。1.脱氢反应 6-磷酸葡萄糖脱氢酶以 NADP+为辅酶，催化 6-磷酸葡萄糖
42、脱氢生成 6-磷酸葡萄糖酸 内酯。2.水解反应在 6-磷酸葡萄糖酸内酯酶催化下，6-磷酸葡萄糖酸内酯水解为 6-磷酸葡萄糖酸，反应可逆。3.脱氢脱羧反应由 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶催化氧化脱羧生成 5-磷酸核酮糖，NADP+再次作为氢的受体。5.6.1.2 非氧化的分子重组合阶段包括异构化、转酮醇和转醛醇反应，使糖分子重新组合。4.异构化反应 5-磷酸核酮糖异构化成 5-磷酸核糖；5-磷酸核酮糖差向异构化(或称表异构化)成 5-磷酸木酮糖。5.转酮醇反应转酮醇酶催化磷酸酮糖上的二碳单位羟乙酰基转移到磷酸醛糖的第 1 碳原子上，形成 3-磷酸甘油醛和 7-磷酸景天庚酮糖。转酮醇酶转移一个二碳单位。
43、6.转醛醇反应转醛醇酶催化 7-磷酸景天庚酮糖上的二羟丙酮基团转移给 3-磷酸甘油醛生成4-磷酸赤藓糖和 6-磷酸果糖。转醛醇酶转移一个三碳单位。7.转酮醇反应四碳糖和五碳糖经转酮醇酶作用转移二碳单位，形成三碳糖和六碳糖。8.异构化反应 6-磷酸果糖经异构化形成 6-磷酸葡萄糖。从以上反应可以看出，磷酸戊糖途径的主要特点是 6-磷酸葡萄糖直接脱氢脱羧，不必经过 EMP，也不必经过 TCA。在整个反应中，脱氢酶的辅酶为 NADP+而不是 NAD+，无 ATP 的产生与消耗。整个循环过程如图 5-13。图 5-13 磷酸戊糖途径5.6.2 磷酸戊糖途径的化学计量与生物学意义图 5-13 中括号内的
44、数字表示分子数，从 6 分子 6-磷酸葡萄糖开始，经两次脱氢氧化及脱羧后，放出 6 分子 CO2，生成 6 分子 5-磷酸核酮糖。以后在非氧化阶段反应中，6 分子 5-磷酸核酮糖(共有 56=30 个碳原子)经 C3、C4、C5、C7 等糖中间代谢物，最后转化成 5 分子 6-磷酸葡萄糖(亦含 65=30 个碳原子)。这表明，经 6 次循环，1 分子 6-磷酸葡萄糖被分解而产生 6 分子 CO2。其反应式可写成:总反应式为:6-磷酸葡萄糖 + 12NADP + 7H2O 6CO 2+12 NADPH+12H +H3PO4磷酸戊糖途径有多种生物学意义:1产生大量的 NADPH，为细胞的各种合成反
45、应提供还原力。NADPH+H+作为主要供氢体，为脂肪酸、固醇、四氢叶酸等的合成，非光合细胞中硝酸盐、亚硝酸盐的还原，以及氨的同化、丙酮酸羧化还原成苹果酸等反应所必需。2酸戊糖途径的中间产物为许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+、FAD 等的组分。4-磷酸赤藓糖与 EMP 中的 PEP 可合成莽草酸，经莽草酸途径可合成芳香族氨基酸，以及与植物生长(如生长素、木质素合成)和抗病性(如酚类抗毒素等)有关的物质。3非氧化重排阶段的一系列中间产物及酶类与光合作用中卡尔文循环的大多数中间产物和酶相同，因而磷酸戊糖途径可与光合作用联系起来，并实现某些单糖间
46、的互变。563 磷酸戊糖途径的调控在氧化脱羧阶段中，以 6-磷酸葡萄糖脱氢酶的活性最低，所以该酶是磷酸戊糖途径的限速酶，催化不可逆反应，其活性受NADP+/NADPH+H+比率的调节，NADPH+H+竞争性抑制 6-磷酸葡萄糖脱氢酶和 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的活性。机体中NAD+/NADH+H+比NADP+/NADPH+H+高几个数量级，由小鼠肝得到的细胞溶质中，前者为 700，后者为 0.014，这使 NADPH+H+可以进行有效的反馈抑制调控。只有 NADPH+H+在脂肪生物合成中被消耗时才能解除抑制，再通过 6-磷酸葡萄糖脱氢酶产生 NADPH+H+非氧化阶段戊糖的转变主要受控于底物浓度。5-磷酸核糖过多时，可转化成 6-磷酸果糖和 3-磷酸甘油醛进行酵解。转酮醇酶是 HMS 途径非氧化阶段的重要酶，其辅因子是 TPP，某些遗传缺陷的人体内的转酮醇酶结合 TPP 的活力仅为正常人的十分之一，当食物中缺乏硫胺素时，其神经功能显著紊乱，如不能辨认方向，记忆力减退，运动器官麻痹，在充分补充 TPP 后神经症状可得到缓解。
