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１O2葡萄糖酵解丙酮酸+NADH厌氧三羧酸循环乳酸发酵酒精发酵第八章糖代谢自养生物分解代谢糖代谢包括异养生物自养生物合成代谢异养生物能量转换（能源）糖代谢的生物学功能物质转换（碳源）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：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。分解代谢和合成代谢，受神经、激素、别构物调节控制。第一节糖酵解glycolysis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（EMP）Embden-MeyerhofPathway，1940２在细胞质中进行1、反应步骤P79图13-1酵解途径，三个不可逆步骤是调节位点。（1）、葡萄糖磷酸化形成G-6-P反应式此反应基本不可逆，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。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。P80图13-2己糖激酶与底物结合时的构象变化已糖激酶：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反应式：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反应式：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）反应式：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。该反应由醛缩酶催化，反应机理３P83（5）、磷酸二羟丙酮（DHAP）异构化成3-磷酸甘油醛反应式：（注意碳原子编号的变化）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图解：（6）、3-磷酸甘油醛氧化成1.3—二磷酸甘油酸反应式：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。反应机理：P84图13-43-磷酸甘油醛脱氢酶的催化机理碘乙酸可与酶的-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反应式：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—磷酸甘油酸反应式：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反应式：烯醇化酶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。４（10）、磷酸烯醇式丙酮酸生成ATP和丙酮酸。反应式：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++2H2O2、糖酵解的能量变化P87图13-5糖酵解途径中ATP的生成无氧情况下：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→3ATP1分子FAD→2ATP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。《罗纪盛》P259P260。★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。图苹果酸脱氢酶（胞液）α—酮戊二酸转位酶苹果酸脱氢酶（线粒体基质）谷—草转氨酶Glu—Asp转位酶５谷—草转氨酶草酰乙酸：苹果酸：α—酮戊二酸：3、糖酵解中酶的反应类型P88表13-1糖酵解反应氧化还原酶（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、烯醇化酶三、糖酵解的调节参阅P120糖酵解的调节糖酵解过程有三步不可逆反应，分别由三个调节酶（别构酶）催化，调节主要就发生在三个部位。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）：ADP2、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—2PATP：细胞内含有丰富的ATP时，此酶几乎无活性。柠檬酸：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、四、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。６总反应：Glc+2ADP+2Pi→2乳酸+2ATP+2H2O动物体内的乳酸循环Cori循环：图肌肉收缩，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、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、丙酮酸进行糖异生五、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P91图13-6各种单糖进入糖酵解的途径1．糖原降解产物G—1—P2．D—果糖有两个途径3．D—半乳糖4．D—甘露糖第二节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CoA③三羧酸循环（CO2、H2O、ATP、NADH）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７一、丙酮酸脱羧生成乙酰CoA1、反应式：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。2、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）TPP24二氢硫辛酸转乙酰酶（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。3、反应步骤P93反应过程（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NADH4、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E1CH3COCOOH+CoA-SH+NAD+丙酮酸脱氢酶复合体CH3CO-S-CoA+NADH+H++CO2８CoA抑制E2NADH抑制E35、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P95图13-9概述三羧酸循环（1）、乙酰CoA+草酰乙酸→柠檬酸反应式：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