知识要点第八单元糖代谢

第八单元糖代谢分解代谢：酵解（共同途径）、三羧酸循环（最后氧化途径）、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等。合成代谢：糖异生、糖原合成、结构多糖合成以及光合作用。可转化成多种中间产物，这些中间产物可进一步转化成氨基酸、脂肪酸、核苷酸。糖的磷酸衍生物可以构成多种重要的生物活性物质：NAD、FAD、DNA、RNA、ATP。分解代谢和合成代谢，受神经、激素、别构物调节控制。一、糖酵解（一）酵解与发酵1.酵解（glycolysis，在细胞质中进行）酵解酶系统将Glc降解成丙酮酸，并生成ATP的过程。它是动物、植物、微生物细胞中Glc分解产生能量的共同代谢途径。在好氧有机体中，丙酮酸进入线粒体，经三羧酸循环被彻底氧化成CO2和H2O，产生的NADH经呼吸链氧化而产生ATP和水，所以酵解是三羧酸循环和氧化磷酸化的前奏。若供氧不足，NADH把丙酮酸还原成乳酸（乳酸发酵）。2.发酵（fermentation）厌氧有机体（酵母和其它微生物）把酵解产生的NADH上的氢，传递给丙酮酸，生成乳酸，则称乳酸发酵。若NAPH中的氢传递给丙酮酸脱羧生成的乙醛，生成乙醇，此过程是酒精发酵。有些动物细胞即使在有O2时，也会产生乳酸，如成熟的红细胞（不含线粒体）、视网膜。（二）糖酵解过程（Embden-MeyerhofPathway，EMP）（1）葡萄糖磷酸化形成G-6-P此反应基本不可逆，调节位点。△G0=-4.0Kcal/mol使Glc活化，并以G-6-P形式将Glc限制在细胞内。催化此反应的激酶有，已糖激酶和葡萄糖激酶。已糖激酶：专一性不强，可催化Glc、Fru、Man（甘露糖）磷酸化。己糖激酶是酵解途径中第一个调节酶，被产物G-6-P强烈地别构抑制。葡萄糖激酶：对Glc有专一活性，存在于肝脏中，不被G-6-P抑制。Glc激酶是一个诱导酶，由胰岛素促使合成，肌肉细胞中已糖激酶对Glc的Km为0.1mmol/L，而肝中Glc激酶对Glc的Km为10mmol/L，因此，平时细胞内Glc浓度为5mmol/L时，已糖激酶催化的酶促反应已经达最大速度，而肝中Glc激酶并不活跃。进食后，肝中Glc浓度增高，此时Glc激酶将Glc转化成G-6-P，进一步转化成糖元，贮存于肝细胞中。（2）G-6-P异构化为F-6-P由于此反应的标准自由能变化很小，反应可逆，反应方向由底物与产物的含量水平控制。此反应由磷酸Glc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）该反应在热力学上不利，但是，由于具有非常大的△G0负值的F-1.6-2P的形成及后续甘油醛-3-磷酸氧化的放能性质，促使反应正向进行。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由磷酸甘油酸激酶催化，是酵解过程中的第一次底物水平磷酸化反应，也是酵解中第一次产生ATP的反应。一分子Glc产生二分子三碳糖，共产生2ATP。（8）3-磷酸甘油酸转化成2-磷酸甘油酸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。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。（11）EMP总反应式1葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+→2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O（三）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）。（四）糖酵解中酶的反应类型氧化还原酶（1种）：3—磷酸甘油醛脱氢酶；转移酶（4种）：己糖激酶、磷酸果糖激酶、磷酸甘油酸激酶、丙酮酸激酶；裂合酶（1种）：醛缩酶；异构酶（4种）：磷酸Glc异构酶、磷酸丙糖异构酶、磷酸甘油酸变位酶、烯醇化酶。（五）糖酵解的调节1.已糖激酶调节别构抑制剂（负效应调节物）：G-6-P和ATP；别构激活剂（正效应调节物）：ADP。2.磷酸果糖激酶调节（关键限速步骤）抑制剂：ATP、柠檬酸、脂肪酸和H+，激活剂：AMP、F-2.6-2P；ATP细胞内含有丰富的ATP时，此酶几乎无活性。高含量的柠檬酸是碳骨架过剩的信号。H+可防止肌肉中形成过量乳酸而使血液酸中毒。3.丙酮酸激酶调节抑制剂：乙酰CoA、长链脂肪酸、Ala、ATP；激活剂：F-1.6-P。（六）丙酮酸的去路1.进入三羧酸循环2.生成乳酸在厌氧酵解时（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动物体内的乳酸循环（Cori）循环：肌肉收缩，糖酵解产生乳酸。乳酸透过细胞膜进入血液，在肝脏中异生为Glc，解除乳酸积累引起的中毒。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。3.生成乙醇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.进行糖异生5.合成氨基酸（七）其它单糖进入糖酵解途径糖原降解产物G-1-P，D-果糖，D-半乳糖，D-甘露糖均转化为糖酵解的中间物。二、三羧酸循环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，③三羧酸循环（又称柠檬酸循环、Krebs循环），④呼吸链氧化磷酸化。（一）丙酮酸脱羧生成乙酰CoA1.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比核糖体稍大。含有TPP、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA、Mg2+等辅因子。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NADH3.丙酮酸脱氢酶系的活性调节（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）和丙酮酸脱氢酶磷酸酶（EB）调节丙酮酸脱氢酶的磷酸化，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。（3）能量1分子丙酮酸生成1分子乙酰CoA，产生1分子NADH（3ATP）。（二）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。柠檬酸合酶上的两个His残基起重要作用，一个与草酰乙酸羰基氧原子作用，使其易受攻击；另一个促进乙酰CoA的甲基碳上的质子离开，形成烯醇离子，就可与草酰乙酸缩合成C-C键，生成柠檬酰CoA，后者使酶构象变化，使活性中心增加一个Asp残基，捕获水分子，以水解硫酯键，然后CoA和柠檬酸相继离开酶。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。氟乙酸本身无毒，氟柠檬酸是乌头酸酶专一的抑制剂，氟柠檬酸结合到乌头酸酶的活性部位上，并封闭之，使需氧能量代谢受毒害。它存在于某些有毒植物叶子中，是已知最能致死的简单分子之一。LD50为0.2mg/Kg体重，它比强烈的神经毒物二异丙基氟磷酸的LD50小一个数量级。（2）柠檬酸→异柠檬酸由顺鸟头酸酶催化，顺乌头酸酶只能以两种旋光异构方式中的一种与柠檬酸结合，结果，它催化的第一步脱水反应中的氢全来自草酰乙酸部分，第二步的水合反应中的OH也只加在草酰乙酸部分。这种酶与底物以特殊方式结合（只选择两种顺反异构或旋光异构中的一种结合方式）进行的反应称为不对称反应。结果，TCA第一轮循环释放的CO2全来自草酰乙酸部分，乙酰CoA羰基碳在第二轮循环中释放，甲基碳在第三轮循环中释放50%，以后每循环一轮释放余下的50%。柠檬酸上的羟基是个叔醇，无法进一步被氧化。因此，柠檬酸需转变成异柠檬酸，将不能被氧化的叔醇，转化成可以被氧化的仲醇。90%柠檬酸、4%顺乌头酸、6%异柠檬酸组成平衡混合物，但柠檬酸的形成及异柠檬酸的氧化都是放能反应，促使反应正向进行。（3）异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸和NADH这是三羧酸循环中第一次氧化脱羧反应，异柠檬酸脱氢酶，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NADHα-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由琥珀酰CoA合成酶（琥珀酸硫激酶）催化，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由L-苹果酸脱氢酶催化，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）反应类型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