第六章 糖代谢

第二篇 物质代谢及其调节本篇讨论体内几类重要物质的代谢过程及其调节。包括糖代谢、脂质代谢、生物氧化、氨基酸代谢、核昔酸代谢，非营养物质代谢以及各种重要物质代谢的相互联系与调节规律，共七章。生命活动的基本特征之一是生物体内各种物质按一定规律不断进行的新陈代谢，以实现生物体与外环境的物质交换、自我更新，以及机体内环境的相对稳定。物质代谢包括合成代谢与分解代谢两个方面，并处于动态平衡（dynamic equilibrium)之中。物质代谢中绝大部分化学反应是在细胞内由酶催化而进行，并伴随着多种形式的能量变化，其中最为重要的是物质氧化时伴有ADP磷酸化而产生ATP，为生命活动直接提供能量。体内还存在来自外源或内源的若干非营养物质，通过生物转化作用，使其水溶性提高，极性增强，易于排出体外。各种物质代谢之间有着广泛的联系，而且机体具有严密调节物质代谢的能力，使其构成一个统一的整体。正常的物质代谢是生命过程所必需的，而物质代谢的紊乱而往往是一些疾病的重要原因。为此，物质代谢的知识是医学生物化学的重要组成内容。除了上述物质代谢外，有关DNA生物合成、RNA生物合成及蛋白质生物合成等代谢过程及调节将在第三篇讨论。学习这一篇时，要注意掌握各类物质代谢的基本反应途径、关键酶与主要调节环节、重要生理意义、各类物质代谢的相互联系与调节规则，以及代谢异常与疾病关系等问题。第六章 糖代谢糖是人类食物的主要成分，约占食物总量的50%以上，主要生理功能是为生命活动提供能源和碳源。糖是机体的一种重要的能量来源，人体所需能量的50% -70%来自于糖。1 mol葡萄糖（glucose）完全氧化成为二氧化碳和水可释放2840kJ（679 kcal/mol）的能量。其中约34%转化生成ATP，以供应机体生理活动所需的能量。糖也是机体重要的碳源，糖代谢的中间产物可转变成其他的含碳化合物，如氨基酸、脂肪酸、核昔酸等。此外，糖还参与组成结缔组织等机体组织结构，调节细胞信息传递，形成NAD、FAD、ATP等多种生物活性物质，构成激素、酶、免疫球蛋白等具有特殊生理功能的糖蛋白。本章重点介绍葡萄糖在机体内的代谢，因为其他单糖如果糖、半乳糖、甘露糖等所占比例很小，且主要转变为葡萄糖代谢的中间产物。细胞内葡萄糖的代谢涉及分解、储存、合成三个方面。葡萄糖的分解代谢主要包括糖的无氧氧化、糖的有氧氧化和磷酸戊糖途径，取决于不同类型细胞的代谢特点和供氧状况。例如机体绝大多数组织在供氧充足时，葡萄糖进行有氧氧化生成CO2和H20;肌组织在缺氧时，葡萄糖进行无氧氧化生成乳酸；饱食后肝内由于合成脂质的需要，葡萄糖进人磷酸戊糖途径代谢生成磷酸核糖和NADPH。饱食时葡萄糖也可聚合成糖原，储111112 第二篇 物质代谢及其调节存在肝或肌组织中，以便在短期饥饿时补充血糖或分解利用。长期饥饿时，有些非糖物质如乳酸、丙氨酸等还可经糖异生途径转变成葡萄糖或糖原。这些分解、储存、合成代谢途径在多种激素调控下相互协调、相互制约，使血中葡萄糖的来源与去路相对平衡，血糖水平趋于稳定。以下将详细介绍葡萄糖的主要代谢途径、生理意义及其调控机制。第一节 糖的消化吸收与转运一、糖消化后以单体形式吸收人类食物中可被机体分解利用的糖类主要有植物淀粉、动物糖原、麦芽搪、蔗糖（sucrose）、乳糖（lactose）和葡萄糖等。食物中还含有大量的纤维素（cellulose），由于人体内无卜糖昔酶故不能对其分解利用，但纤维素能起到刺激肠蠕动等作用，也是维持健康所必需的糖类。主食中的糖类以淀粉（starch)为主。唾液和胰液中都有a-淀粉酶（a-amylase），可水解淀粉分子内的a-1，4-糖苷键。由于食物在口腔停留的时间很短，所以淀粉消化主要在小肠内进行。在胰液的a一淀粉酶作用下，淀粉被水解为麦芽糖、麦芽三糖、含分支的异麦芽糖、由4一9个葡萄糖残基构成的。一极限糊精(a-limit dextrin)，其中前两者约占65%，后两者约占35%。寡糖的进一步消化在小肠豁膜刷状缘进行。a-糖昔酶（包括麦芽糖酶）水解没有分支的麦芽糖和麦芽三糖。a-极限糊精酶（包括异麦芽糖酶）可水解a-1，4一糖昔键和a-1，6-糖昔键，将。一极限糊精和异麦芽糖水解成葡萄糖。肠钻膜细胞还含有蔗糖酶和乳糖酶等，分别水解蔗糖和乳糖。有些人由于缺乏乳糖酶，在食用牛奶后发生乳糖消化吸收障碍，而引起腹胀、腹泻等症状，称为乳糖不耐症（lactose intolerance）。糖类被消化成单糖后才能在小肠被吸收。小肠黏膜细胞依赖特定载体摄入葡萄糖，是一个主动耗能的过程，同时伴有Na的转运。这类葡萄糖转运体称为Na依赖型葡萄糖转运蛋白（sodium-dependent glucose transporter，SGLT)，它们主要存在于小肠私膜和肾小管上皮细胞。葡萄糖被小肠猫膜细胞吸收后经门静脉进入血循环，供身体各组织利用。肝对于维持血糖稳定发挥关键作用。当血糖较高时，肝通过糖原合成和分解葡萄糖来降低血糖；当血糖较低时，肝通过糖原分解和糖异生来升高血糖。二、细胞摄取葡萄糖需要转运蛋白葡萄糖吸收入血后，在体内代谢首先需进人细胞。这是依赖葡糖转运蛋白（glucose trans-porter, GLUT）实现的。人体中现已发现12种葡萄糖转运蛋白，它们分别在不同的组织细胞中起作用，其中GLUT 1- 5功能较为明确。GLUTl和GLUTS广泛分布于全身各组织中，是细胞摄取葡萄糖的基本转运体。GLUT2主要存在于肝细胞和胰腺p细胞中，与葡萄糖的亲和力较低，使肝从餐后血中摄取过量的葡萄糖，并调节胰岛素分泌。而GLUT4主要存在于脂肪和肌组织中，以胰岛素依赖方式摄取葡萄糖，耐力训练可以使肌组织细胞膜上的GLUT4数量增加。GLUT5主要在小肠分布，是果糖进人细胞的重要转运蛋白。这些GLUT成员的组织分布不同，生物功能不同，决定了各组织中葡萄糖代谢各具特色。葡萄糖摄取障碍可能诱发高血糖。进食高碳水化合物饮食后，血糖迅速升高，引起胰岛素分泌，胰岛素可以使原先位于脂肪细胞和肌细胞内囊泡中的GLUT4重新分布于细胞膜，从而促进这些细胞摄取并利用血糖。I型糖尿病患者由于胰岛素分泌不足，无法使脂肪和肌组织中的GLUT4转位至细胞膜，阻碍了血中葡萄糖转运进人这些细胞。第二节糖的无氧氧化一分子葡萄糖在胞质中可裂解为两分子丙酮酸，是葡萄糖无氧氧化和有氧氧化的共同起始第六章 糖代谢 113途径,称为糖酵解（glycolysis）。在不能利用氧或氧供应不足时,人体将丙酮酸在胞质中还原生成乳酸,称为乳酸发酵（lactic acid fermentation）。在某些植物和微生物中,丙酮酸可转变为乙醇和二氧化碳,称为乙醇发酵（ethanol fermentation）。氧供应充足时,丙酮酸主要进人线粒体中彻底氧化为CO2和H2O，即糖的有氧氧化（aerobic oxidation）。本节仅讨论人体生成乳酸的糖无氧氧化（anaerobic oxidation）。一、糖的无氧氧化分为糖酵解和乳酸生成两个阶段葡萄糖不利用氧的分解过程分为两个阶段：第一阶段是糖酵解，第二阶段为乳酸生成。糖无氧氧化的全部反应在胞质中进行。（一）葡萄糖经糖酵解分解为两分子丙酮酸1、葡萄糖磷酸化生成葡糖一6-磷酸 葡萄糖进人细胞后发生磷酸化反应，生成葡糖一6一磷酸（glucose-6-phosphate, G-6-P)，该反应不可逆，是糖酵解的第一个限速步骤。磷酸化后的葡萄糖不能自由通过细胞膜而逸出细胞。催化此反应的是己糖激酶（hexokinase），它需要Mg 2+，是糖酵解的第一个关键酶(key enzyme)。哺乳类动物体内已发现有4种己糖激酶同工酶（I-N f)。肝细胞中存在的是W型，称为葡糖激酶（glucokinase），它有两个特点：一是对葡萄糖的亲和力很低，其Km值为l0mmol/L左右，而其他己糖激酶的Km值在0.1mmol/L左右；二是受激素调控，它对葡糖-6-磷酸的反馈抑制并不敏感。这些特性使葡糖激酶对于肝维持血糖稳定至关重要，只有当血糖显著升高时，肝才会加快对葡萄糖的利用，起到缓冲血糖水平的调节作用。2.葡糖-6-磷酸转变为果糖-6-磷酸这是由磷酸己糖异构酶( phosphohexose isomerase）催化的醛糖与酮糖间的异构反应。葡糖-6-磷酸转变为果糖-6-磷酸（fructose-6-phosphate, F-6-P)是需要Mg 2+参与的可逆反应。3.果精-6-磷酸转变为果精-6-二磷酸这是第二个磷酸化反应，需ATP和Mg2+广，由磷酸果糖激酶-1（6-phosphofructokinase-1, PFK-1）催化，生成果糖-1, 6-二磷酸（fructose-1, 6-biphosphate，F-1,6-BP)。该反应不可逆，是糖酵解的第二个限速步骤。4.果糖-1,6-二磷酸裂解成2分子磷酸丙糖此步反应是可逆的，由醛缩酶( aldolase )催化，产生2个丙糖，即磷酸二羟丙酮和3一磷酸甘油醛。5.磷酸二羟丙酮转变为3一磷酸甘油醛3一磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮是同分异构体，在磷酸丙糖异构酶（triose phosphate isomerase）催化下可互相转变。当3一磷酸甘油醛在下一步反应中被移去后，磷酸二羟丙酮迅速转变为3一磷酸甘油醛，继续进行酵解。磷酸二羟丙酮还可转变成a一磷酸甘油，是联系葡萄糖代谢和脂肪代谢的重要枢纽物质。上述的5步反应为糖酵解的耗能阶段，1分子葡萄糖经两次磷酸化反应消耗了2分子ATP，产生了2分子3一磷酸甘油醛。而之后的5步反应才开始产生能量。6. 3一磷酸甘油醛氧化为1，3一二磷酸甘油酸反应中3一磷酸甘油醛的醛基氧化成羧基及羧基的磷酸化均由3一磷酸甘油醛脱氢酶（glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase）催化，以NAD+为辅酶接受氢和电子。参加反应的还有无机磷酸，当3一磷酸甘油醛的醛基氧化脱氢生成羧基时立即与磷酸形成混合酸酐。该酸酐是一种高能化合物，其磷酸酯键水解时可将能量转移至ADP，生成ATP。7. 1,3一二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸激酶(phosphoglycerate kinase）催化混合酸酐上的磷酸基从羧基转移到ADP，形成ATP和3一磷酸甘油酸，反应需要Mg2+。这是糖酵解过程中第一次产生ATP的反应，将底物的高能磷酸基直接转移给ADP生成ATP。这种ADP或其他核苷二磷酸的磷酸化作用与底物的脱氢作用直接相偶联的反应过程称为底物水平磷酸化（substrate-level phospho-rylation）。磷酸甘油酸激酶催化的此反应是一可逆反应，逆反应则需消耗1分子ATP.8. 3一磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸 磷酸甘油酸变位酶( phosphoglycerate mutase）催化磷酸基从3一磷酸甘油酸的C3位转移到C2，这步反应是可逆的，反应需要Mg2+。114 第二篇 物质代谢及其调节9. 2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸 烯醇化酶（enolase）催化2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate, PEP）。尽管这个反应的标准自由能改变比较小，但反应时可引起分子内部的电子重排和能量重新分布,形成了一个高能磷酸键，这就为下一步反应作了准备。10.磷酸烯醇式丙酮酸将高能磷酸基转移给ADP生成ATP和丙酮酸 糖酵解的最后这一步反应是由丙酮酸激酶（pyruvate kinase )催化的,反应不可逆,是糖酵解的第三个限速步骤。丙酮酸激酶的作用需要K+和Mg2+参与。反应最初生成烯醇式丙酮酸，但烯醇式迅速经非酶促反应转变为酮式。这是糖酵解过程中的第二次底物水平磷酸化。在糖酵解产能阶段的5步反应中， 2分子磷酸丙糖经两次底物水平磷酸化转变成2分子丙酮酸，总共生成4分子ATP.（二）丙酮酸被还原为乳酸此反应由乳酸脱氢酶lactate dehydrogenase, LDH)催化,丙酮酸还原成乳酸所需的氢原子由NADH+H提供，后者来自上述第6步反应中的3磷酸甘油醛的脱氢反应。在缺氧情况下，这一对氢用于还原丙酮酸生成乳酸，NADH+H重新转变成NAD+，糖酵解才能重复进行。人体内糖无氧氧化的全部反应可归纳如图6一l。第六章 糖代谢 115二、糖酵解的调控是对3个关键酶活性的调节糖酵解的大多数反应是可逆的,这些可逆反应的方向、速率由底物和产物的浓度控制。催化这些可逆反应的酶的活性改变，并不能决定反应的方向。糖酵解过程中有3个非平衡反应，分别由己糖激酶（葡糖激酶,磷酸果糖激酶一1和丙酮酸激酶催化,它们反应速率最慢,催化的反应不可逆，是控制糖酵解流量的3个关键酶，其活性受到别构效应剂和激素的调节。（一）磷酸果糖激酶一1对调节糖酵解速率最重要调节糖酵解流量最重要的是磷酸果糖激酶1的活性,磷酸果糖激酶1是一个四聚体,受多种别构效应剂的影响（图6-2）。ATP和柠檬酸是此酶的别构抑制剂.磷酸果糖激酶1有2个结合ATP的位点,一是活性中心内的催化部位,ATP作为底物与之结合;另一个是活性中心以外的别构部位,ATP作为别构抑制剂与之结合,别构部位与ATP的亲和力较低,因而需要较高浓度的ATP才能使酶丧失活性.磷酸果糖激酶1的别构激活剂有AMP,ADP、果糖一1,6二磷酸和果糖2,6一二磷酸(fructose-2,6-biphosphate，F-2,6-BP).AMP可与ATP竞争结合别构部位，抵消ATP的抑制作用.果糖一1,6二磷酸是磷酸果糖激酶1的反应产物,这种产物正反馈作用是比较少见的，它有利于糖的分解。果糖2，6二磷酸是磷酸果糖激酶1最强的别构激活剂,在生理浓度范围（N,mol水平）内即可发挥效应.其作用是与AMP一起取消ATP、柠檬酸对磷酸果糖激酶一1的别构抑制作用。果糖一1,6一二磷酸由磷酸果糖激酶2（6-phosphofructokinase-2, PFK-2）催化果糖一6-磷酸C2磷酸化而生成;果糖二磷酸酶-2（fructose biphosphatase-2，FBP 2）则可水解其C2位磷酸，使其转变成果糖- 6-磷酸（图6-2）.磷酸果糖激酶-2和果糖二磷酸酶-2这两种酶活性共存于一个酶蛋白上,具有2个分开的催化中心，是一种双功能酶。磷酸果糖激酶-2/果糖二磷酸酶-2还可在激素作用下，以共价修饰方式调节酶活性。胰高血糖素通过依赖cAMP的蛋白激酶cAMP-dependent protein kinase(简称蛋白激酶A protein kinase A,PKA）使其32位丝氮酸发生磷酸化,结果导致磷酸果糖激酶-2活性减弱而果糖二磷酸酶-2活性升高。磷蛋白磷酸酶将其去磷酸后，酶活性的变化则相反。（二）丙酮酸激酶是糖酵解的第二个重要的调节点丙酮酸激酶是糖酵解的第二个重要的调节点.果糖-1，6-二磷酸是丙酮酸激酶的别构激活116 第二篇 物质代谢及其调节剂，而ATP则有抑制作用。此外，在肝内丙氨酸对该酶也有别构抑制作用。丙酮酸激酶还受共价修饰方式调节。PKA和依赖Ca 2+、钙调蛋白的蛋白激酶均可使其磷酸化而失活。胰高血糖素可通过激活PKA抑制丙酮酸激酶活性。（三）己糖激酶受到反应产物抑制调节 己糖激酶受其反应产物葡糖一6磷酸的反馈抑制，而葡萄糖激酶由于不存在葡糖一6磷酸的别构部位，故不受葡糖6一磷酸的影响。长链脂酰CoA对其有别构抑制作用，这在饥饿时减少肝和其他组织分解葡萄糖有一定意义。胰岛素可诱导葡糖激酶基因的转录，促进酶的合成。糖酵解是体内葡萄糖分解供能的起始阶段。对于绝大多数组织，特别是骨骼肌，调节流量的目的是适应这些组织对能量的需求。当消耗能量多，细胞内ATP/AMP比例降低时，磷酸果糖激酶一1和丙酮酸激酶均被激活，加速葡萄糖的分解。反之，细胞内ATP的储备丰富时，通过糖酵解分解的葡萄糖就减少。肝的情况则不同。正常进食时，肝仅氧化少量葡萄糖，主要由氧化脂肪酸获得能量。进食后，胰高血糖素分泌减少，胰岛素分泌增加，果糖一2，6一二磷酸的合成增加，加速糖酵解，主要是生成乙酰CoA以合成脂肪酸；饥饿时胰高血糖素分泌增加，抑制了果糖一2，6-二磷酸的合成和丙酮酸激酶的活性，抑制糖酵解，这样才能有效地进行糖异生，维持血糖水平（详见本章第六节）。三、糖无氧氧化的主要生理意义是机体不利用氧快速供能糖无氧氧化最主要的生理意义在于迅速提供能量，这对肌收缩更为重要。肌内ATP含量很低，仅5一7 mol/g新鲜组织，只要肌收缩几秒钟即可耗尽。这时即使氧不缺乏，但因葡萄糖进行有氧氧化的反应过程较长，来不及满足需要，而通过糖无氧氧化则可迅速得到ATP。当机体缺氧或剧烈运动肌局部血流不足时，能量主要通过糖无氧氧化获得。成熟红细胞没有线粒体，只能依赖糖的无氧氧化提供能量。神经细胞、白细胞、骨髓细胞等代谢极为活跃，即使不缺氧也常由糖无氧氧化提供部分能量。糖无氧氧化时每分子磷酸丙糖进行2次底物水平磷酸化，可生成2分子ATP，因此1 mol葡萄糖可生成4mo1 ATP，扣除在葡萄糖和果糖一6-磷酸磷酸化时消耗的2mo1 ATP，最终糖无氧氧化净得2mo1 ATP. lmol葡萄糖经无氧氧化生成2分子乳酸可释放196kJ/mol (46. 9kcal/mol）的能量。在标准状态下ATP水解为ADP和Pi时G0-30. 5kJ/mol（-7. 29kcal/mol），可储能61 kJ/mol（14. 6kca1/mol），效率为31。四、其他单糖可转变成糖酵解的中间产物除葡萄糖外，其他己糖如果糖、半乳糖和甘露糖也都是重要的能源物质，它们可转变成糖酵解的中间产物磷酸己糖而进人糖酵解提供能量。（一）果糖被磷酸化后进入糖醉解果糖是膳食中重要的能源物质，水果和蔗糖中含有大量果糖，从食物摄人的果糖每天约有100g.果糖的代谢一部分在肝，一部分被周围组织（主要是肌和脂肪组织）摄取。在肌和脂肪组织中，己糖激酶使果糖磷酸化生成果糖一6一磷酸。果糖一6一磷酸可进人糖酵解分解，在肌组织中也可合成糖原。在肝中，葡糖激酶与己糖（包括果糖）的亲和力很低，因此果糖在肝的代谢不同于肌组织。肝内存在特异的果糖激酶，催化果糖磷酸化生成果糖一1一磷酸，后者被特异的磷酸果糖醛缩酶（B型醛缩酶）分解成磷酸二羟丙酮及甘油醛。甘油醛在丙糖激酶催化下磷酸化成3一磷酸甘油醛。这些果糖代谢产物恰好是糖酵解的中间代谢产物，可循糖酵解氧化分解，也可逆向进行糖异生，促进肝内糖原储存。果糖不耐症（fructose intolerance）是一种遗传病。其病因为缺乏B型醛缩酶，进食果糖会引起果糖一1一磷酸堆积，大量消耗肝中磷酸的储备，进而使ATP浓度下降，从而加速糖无氧氧化，导第六章 糖代谢 117致乳酸酸中毒和餐后低血糖。这种病症常表现为自我限制，强烈地厌恶甜食。（二）半乳糖转变为葡糖-1磷酸进入糖酵解半乳糖和葡萄糖是立体异构体，它们仅仅在C4位的构型上有所区别。牛乳中的乳糖是半乳糖的主要来源，半乳糖在肝内转变为葡萄糖（图6-3）。尿嘧啶核苷二磷酸半乳糖（uridine，diphosphate galactose, UDPGaI）不仅是半乳搪转变为葡萄糖的中间产物，也是半乳糖供体，用以合成糖脂、蛋白聚糖和糖蛋白。另一方面，由于差向异构酶反应可自由逆转，用于合成糖脂、蛋白聚糖和糖蛋白的半乳糖并不必依赖食物而可由UDPG转变生成。半乳糖血症（galactosemia）是一种遗传性疾病，表现为半乳糖不能转变成葡萄糖。其原因是缺乏半乳糖一1一磷酸尿苷酰转移酶，使半乳糖一1一磷酸生成UDP一半乳糖的过程受阻，导致有毒副产物的积累。例如，血液中高浓度的半乳糖使眼睛晶状体中半乳糖含量增加，并还原为半乳糖醇，晶状体中这种糖醇的存在最终导致白内障的形成（晶状体混浊）。半乳精血症的症状还包括生长停滞，智力迟钝，在某些病例中会因肝损伤致死。（三）甘露糖转变为果糖6磷酸进入糖酵解甘露糖在结构上是葡萄糖C,位的立体异构物。它在日常饮食中含量甚微，是多糖和糖蛋118 第二篇 物质代谢及其调节白的消化产物。甘露糖在体内通过两步反应转变成果糖一6一磷酸而进人糖酵解代谢。首先甘露糖在己糖激酶的催化下，磷酸化生成甘露糖一6一磷酸，接着被磷酸甘露糖异构酶催化转变为6磷酸果糖，从而进入糖酵解进行代谢转变，生成糖原、乳酸、葡萄糖、戊糖等（图6-4）。第三节糖的有氧氧化机体利用氧将葡萄糖彻底氧化成CO,和H2O的反应过程称为有氧氧化（aerobic oxidation）。有氧氧化是体内糖分解供能的主要方式，绝大多数细胞都通过它获得能量。在肌组织中葡萄糖通过无氧氧化所生成的乳酸，也可作为运动时机体某些组织（如心肌）的重要能源，彻底氧化生成CO,和H2O，提供足够的能量。糖的有氧氧化可概括如图6-5。一、糖的有氧氧化分为三个阶段糖的有氧氧化分为三个阶段：第一阶段葡萄糖在胞质中经糖酵解生成丙酮酸；第二阶段丙酮酸进人线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA;第三阶段为乙酰CoA进人柠檬酸循环，并偶联进行氧化磷酸化。第一阶段反应如前所述，氧化磷酸化将在第八章中讨论。在此主要介绍丙酮酸氧化脱羧和柠檬酸循环的反应过程。（一）葡萄糖经糖酵解生成丙酮酸 同糖无氧氧化的第一阶段。（二）丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA丙酮酸在线粒体经过5步反应氧化脱羧生成乙酰CoA（acetyl CoA），总反应式为：丙酮酸+NAD十+HS-CoA一乙酰CoA+NADH+H+C0,此反应由丙酮酸脱氢酶复合体（pyruvate dehydrogenase complex)催化。在真核细胞中，该多酶复合体存在于线粒体中，是由丙酮酸脱氢酶（E1），二氢硫辛酰胺转乙酰酶（E2）和二氢硫辛酰胺脱氢酶（E3）按一定比例组合而成的。在哺乳类动物细胞中，丙酮酸脱氢酶复合体由60个转乙酰酶组成核心，周围排列着12个丙酮酸脱氢酶和6个二氢硫辛酰胺脱氢酶。参与反应的辅酶有焦磷酸硫胺素（TPP）、硫辛酸、FAD,NAD和CoA。其中硫辛酸是带有二硫键的八碳羧酸，通过与转乙酰酶的赖氨酸残基的氨基相连，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。丙酮酸脱氢酶的辅酶是TPP，二氢硫辛酰胺脱氢酶的辅酶是FAD、NAD。丙酮酸脱氢酶复合体催化的反应分为5步（图6-6）。1丙酮酸脱羧形成经乙基-TPP。TPP噻唑环上的N与S之间活泼的碳原子可释放出H+，而成为碳离子，与丙酮酸的羰基作用，产生CO,，同时形成羟乙基-TPP。2.由二氢硫辛酰胺转乙酰酶（ E2）催化，使经乙基-TPP-E1上的羟乙基被氧化成乙酰基，同时转移给硫辛酰胺，形成乙酰硫辛酰胺一E2。3.二氢硫辛酰胺转乙酰酶（E2）继续催化，使乙酰硫辛酰胺上的乙酰基转移给辅酶A生成乙酰CoA后，离开酶复合体，同时氧化过程中的2个电子使硫辛酰胺上的二硫键还原为2个第六章 糖代谢 119巯基。4.二氢硫辛酰胺脱氢酶（E3），还原的二氢硫辛酰胺脱氢重新生成硫辛酰胺，以进行下一步反应，同时将氢传递给FAD，生成 FADH2。5.在二氢硫辛酰胺脱氢酶（E3）催化下，将FADH2上的氢转移给NAD+，形成NADH+H+。在整个反应过程中，中间产物并不离开酶复合体，这就使得上述各步反应得以迅速完成，而且因没有游离的中间产物，所以不会发生副反应。丙酮酸氧化脱羧反应的G0一39. 5 kJ/mol（-9. 44kcal/mol），故反应是不可逆的。（三）乙酰CoA进入柠檬酸循环以及氧化磷酸化生成ATP柠檬酸循环（citric acid cycle)的第一步是由乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成6个碳原子的柠檬酸，然后柠檬酸经过一系列反应重新生成草酰乙酸，完成一轮循环。经过一轮循环，乙酰CoA的2个碳原子被氧化成CO2：；发生1次底物水平磷酸化，生成1分子ATP；有4次脱氢反应，氢的接受体分别为NAD+或FAD,生成3分子NADH+H+和1分子FADH2，又是电子传递链的第一个环节。电子传递链是由一系列氧它们既是柠檬酸循环中的脱氢酶的辅酶化还原体系组成，它们的功能是将H+或电子依次传递至氧，生成水。在H+或电子沿电子传递链传递过程中能量逐步释放，同时伴有ADP磷酸化生成ATP，即氧化与磷酸化反应是偶联在一起的（见第八章）。二、柠檬酸循环是以形成柠檬酸为起始物的循环反应系统框6-1 Krebs对代谢研究的贡献H. A. Krebs (1900-1981），生于德国的扰太家庭，内科医生、生物化学家，1933年前曾经做过Kaiser Wilhelm生物研究所0. H. Warburg教授的助手,1934年因纳粹统治被迫逃亡英国，先后在剑桥大学、Sheffield大学从事生物化学研究。Krebs在代谢研究方面有两个重大发现：尿素循环和柠檬酸循环。其中柠檬酸循环是能量代谢和物质转变的枢纽，被称为Krebs循环，其发现过程有一个小趣事。1937年，Krebs利用鸽子胸肌的组织悬液，测定了在120 第二篇 物质代谢及其调节不同有机酸作用下丙酮酸氧化过程的耗氧率，从而推理得出结论：一系列有机三羧酸和二羧酸以循环方式存在，可能是肌组织中碳水化合物氧化的主要途径。Krebs将这一发现投稿至Nature编抖部，遗憾的是被拒稿。接着Krebs改投荷兰的杂志Enzymologia，2个月内论文就得以发表。1953年Krebs因发现这两大重要循环获得诺贝尔生理学医学奖。此后，他经常用这段拒稿经历鼓励青年学者专注于自己的研究兴趣，坚持自己的学术观点。1988年，在Krebs辞世7年后，Nature杂志公开表示，拒绝Krebs的文章是有史以来所犯的最大错误。柠檬酸循环也称三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle, TCA cycle)，是由线粒体内一系列酶促反应构成的循环反应系统。因为该学说由Krebs正式提出，亦称为Krebs循环。柠檬酸循环反应过程中，首先由乙酰CoA(主要来自于三大营养物质的分解代谢）与草酰乙酸（oxaloacetate）缩合生成含3个羧基的柠檬酸（citric acid），再经过4次脱氢,2次脱羧，生成4分子还原当量(reducing equivalent,一般是指以氢原子或氢离子形式存在的一个电子或一个电子I当量）和2分子CO,，最终重新生成草酰乙酸再进人下一轮循环。（一）柠檬酸循环由八步反应组成1乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸1分子乙酰CoA与1分子草酰乙酸缩合成柠檬酸，是柠檬酸循环的第一个限速步骤，由柠檬酸合酶（citrate synthase）催化，缩合反应所需能量来自乙酰CoA的高能硫脂键。由于高能硫脂键水解时可释放出较多的自由能，G0为一31. 4kJ/mol（-7. 5kc4/mol），使反应成为单向、不可逆反应。而且柠檬酸合酶对草酰乙酸的Km很低，所以即使线粒体内草酰乙酸的浓度很低（约10mmol/L )，反应也得以迅速进行。2.柠檬酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸 柠檬酸与异柠檬酸（isocitrate）的异构化可逆互变反应由顺乌头酸酶催化，将C3上的经基移至C2上，反应的中间产物顺乌头酸仅与酶结合在一起以复合物的形式存在。3.异柠檬酸氧化脱羧转变为一酮戊二酸异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶( isocitrate dehydro-、genase）催化下氧化脱羧产生CO2，其余碳链骨架部分转变为一酮戊二酸（a-ketoglutarate），脱下的氢由NAD接受，生成NADH+H。这是柠檬酸循环中的第一次氧化脱羧反应，也是柠檬酸循环的第二个限速步骤反应不可逆释出的CO2可被视作乙酰CoA的1个碳原子氧化产物第六章 糖代谢 1214. -酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA 柠檬酸循环中的第二次氧化脱羧反应是-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA（succinyl CoA )，反应不可逆，是柠檬酸循环的第三个限速步骤。反应脱下的氢由NAD+接受，生成NADH+H+，释出的CO2可被视作乙酰CoA的另1个碳原子氧化产物。一酮戊二酸氧化脱羧时释出的自由能较多，足以形成高能硫酯键。这样，一部分能量就以高能硫酯键形式储存在琥珀酰CoA内。催化此反应的酶是一酮戊二酸脱氢酶复合体（“ketoglutarate dehydrogenase complex），其组成和催化反应过程与丙酮酸脱氢酶复合体类似，这就使得-酮戊二酸的脱羧、脱氢并形成高能硫酯键等反应可迅速完成。5. 琥珀酰CoA合成酶催化底物水平磷酸化反应这步反应的产物是琥珀酸（succinicacid)，反应是可逆的，由琥珀酰CoA合成酶（succinyl CoA synthetase）催化。当琥珀酰CoA的高能硫酯键水解时，G0约一33. 4kJ/mol（-7. 98kca1/mol），它可与GDP的磷酸化偶联，生成高能磷酸键。这是底物水平磷酸化的又一例子，是柠檬酸循环中唯一直接生成高能磷酸键的反应。6. 琥珀酸脱氢生成延胡索酸反应由琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase）催化，其辅酶是FAD，还含有铁硫中心。该酶结合在线粒体内膜上，是柠檬酸循环中唯一与内膜结合的酶。：反应脱下的氢由FAD接受，生成FADH2，经电子传递链被氧化，生成1.5分子ATP.7.延胡索酸加水生成苹果酸延胡索酸酶( fumamte hydratase）催化此可逆反应。8.苹果酸脱氢生成草酰乙酸在苹果酸脱氢酶( malate dehydrogenase )催化下，苹果酸(malic acid）脱氢生成草酰乙酸，脱下的氢由NAD+接受，生成NADH+H。在细胞内草酰乙酸不断地被用于柠檬酸合成，故这一可逆反应向生成草酰乙酸的方向进行。122 第二篇 物质代谢及其调节柠檬酸循环的上述八步反应过程可归纳如图6-7在柠檬酸循环反应过程中，从2个碳原子的乙酰CoA与4个碳原子的草酰乙酸缩合成6个碳原子的柠檬酸开始，反复地脱氢氧化，共发生4次脱氢反应，其中3次脱氢（3对氢或6个电子）由NAD+接受，1次（一对氢或2个电子）由FAD接受，这些电子传递体将电子传给氧时才能生成ATP。羟基氧化成羧基后，通过脱羧方式生成CO2。1分子乙酰CoA进人柠檬酸循环后，生成2分子CO2，这是体内CO2的主要来源。柠檬酸循环反应中，每循环一轮只能以底物水平磷酸化生成1个GTP。柠檬酸循环的总反应为：CH, CO一SCoA+3 NAD+FAD+GDP+Pi+2H20 -2C0z+3NADH+3H+FADH2 +HS-CoA+GTP就反应的总平衡而言，1分子乙酰CoA进人柠檬酸循环释放出2分子CO2，循环的各中间产物本身并无量的变化，柠檬酸循环运转一周的净结果是氧化了1分子乙酰CoA。但用14C标记乙酰CoA进行的实验发现，脱羧生成的2个CO2的碳原子来自草酰乙酸而不是乙酰CoA。这是由于中间反应过程中碳原子置换所致，因此实际上是最后再生的草酰乙酸的碳架被部分更新了，含量并没有增减。另外，柠檬酸循环的各中间产物在反应前后质量不发生改变，不可能通过柠檬酸循环从乙酰CoA合成草酰乙酸或柠檬酸循环的其他中间产物；同样，这些中间产物也不可能直接在柠檬酸循环中被氧化成CO2,和H2O。柠檬酸循环中的草酰乙酸主要来自丙酮酸的直接羧化，也可通过苹果酸脱氢生成。无论何种途径，其最终来源是葡萄糖的分解代谢。（二）柠檬酸循环在三大营养物质代谢中具有盆要生理意义1.柠檬酸循环是三大营养物质分解产能的共同通路糖、脂肪、氨基酸都是能源物质，它们在体内的分解代谢最终都将产生乙酰CoA，然后进人柠檬酸循环进行氧化供能。柠檬酸循环中只有一个底物水平磷酸化反应生成高能磷酸键，循环本身并不是生成ATP的主要环节，绝大部分能量主要来自于柠檬酸循环中的4次脱氢反应，它们为电子传递过程和氧化磷酸化反应生成第六章 糖代谢 123ATP提供了足够的还原当量。2.柠檬酸循环是糖、脂肪、氨基酸代谢联系的枢纽 三大营养物质通过柠檬酸循环在一定程度上相互转变。例如，饱食时糖可以转变成脂肪。葡萄糖分解成丙酮酸后进人线粒体内氧化脱羧生成乙酰CoA，乙酰CoA必须再转移到胞质以合成脂肪酸。由于乙酰CoA不能通过线粒体膜，于是它先与草酰乙酸缩合成柠檬酸，再通过载体转运至胞质，在柠檬酸裂解酶（citrate lyase）作用下裂解成乙酰CoA及草酰乙酸，然后乙酰CoA即可合成脂肪酸。此外，乙酰CoA也是合成胆固醇的原料。又如：绝大部分氨基酸可以转变成糖。许多氨基酸的碳架是柠檬酸循环的中间产物，通过草酰乙酸可转变为葡萄糖（参见糖异生一节）。反过来，糖也可通过柠檬酸循环中的各中间产物接受氨基，从而合成非必需氨基酸如天冬氨酸、谷氨酸等（见第九章）。三、糖有氧氧化是搪分解生成ATP的主要方式糖的有氧氧化是产能的主要途径。柠檬酸循环中4次脱氢反应产生大量的NADH+H和FADH2，通过电子传递链和氧化磷酸化产生ATP.线粒体内，1分子NADH+H的氢传递给氧时，可生成2.5个ATP; 1分子FADH2的氢被氧化时，只能生成15个ATP.加上底物水平磷酸化生成的1个ATP，1分子乙酰CoA经柠檬酸循环彻底氧化，共生成10个ATP。若从丙酮酸脱氢开始计算，共产生12.5分子ATP。此外，糖酵解中3-磷酸甘油醛在胞质中脱氢生成的NADH+H+，在氧供应充足时，也要转运至线粒体内进人电子传递链而产生ATP。有两种转运机制，将胞质中的NADH+H+转运至线粒体时分别产生2.5分子或者15分子ATP(见第八章）。综上，1 mol葡萄糖彻底氧化生成co,和H2O，可净生成30mo1或32mo1 ATP(表6-1）。总的反应为：葡萄糖+30 ADP+30 Pi+6 O2 _ 30/32 ATP+6 C02+36 H20四、糖有氧氧化的调节糖的有氧氧化是主要的产能途径。机体对能量的需求变动很大，因此有氧氧化的速率必须加以调节，其本质就是调节有氧氧化三个阶段中的7个关键酶的活性。其中，糖酵解的调节前已叙述，这里主要讲丙酮酸脱氢酶复合体的调节与柠檬酸循环的调节。124 第二篇 物质代谢及其调节（一）丙酮酸脱氢酶复合体的调节丙酮酸脱氢酶复合体的酶活性调节方式有两种：别构调节和化学修饰。一方面，丙酮酸脱氢酶复合体的反应产物乙酰CoA和NADH+H+对酶有别构抑制作用。当乙酰CoA/CoA比例升高时，酶活性被抑制。NADH/NAD+比例升高也有同样的作用。这两种情况见于饥饿、大量脂肪酸被分解利用时，此时糖的有氧氧化被抑制，大多数组织器官以脂肪酸作为能源以确保葡萄糖对脑等重要组织的供给。ATP对丙酮酸脱氢酶复合体也有别构抑制作用，AMP则能激活之。另一方面，在丙酮酸脱氢酶激酶催化下，丙酮酸脱氢酶复合体可被磷酸化而失去活性；丙酮酸脱氢酶磷酸酶则使之去磷酸化而恢复活性。乙酰CoA和NADH+H+也可间接通过增强丙酮酸脱氢酶激酶的活性而使酶失活（图6-8）。（二）柠檬酸循环的调节1.柠檬酸循环有3个关键酶在柠檬酸循环中有3步不可逆反应，分别由柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和一酮戊二酸脱氢酶复合体催化。柠檬酸循环的速率主要取决于这些关键酶的活性调节，分别受到底物供应量、产物反馈抑制的调节。柠檬酸合酶活性可以决定乙酰CoA进人柠檬酸循环的速率，曾被认为是柠檬酸循环主要的调节点。乙酰CoA和草酰乙酸作为柠檬酸合酶的底物，其含量随细胞代谢状态而改变，从而影响柠檬酸合成的速率。产物堆积如柠檬酸、琥珀酰CoA可抑制柠檬酸合酶的活性。柠檬酸是协调糖代谢和脂代谢的枢纽物质之一，当能量供应不足时，柠檬酸留在线粒体中继续进行柠檬酸循环产能；当糖氧化供能过于旺盛时，柠檬酸可通过柠檬酸一丙酮酸循环转移至胞质（见第七章），分解释放乙酰CoA用于合成脂肪酸。目前一般认为异柠檬酸脱氢酶和一酮戊二酸脱氢酶复合体才是柠檬酸循环的主要调节点。异柠檬酸脱氢酶和一酮戊二酸脱氢酶复合体的催化产物有NADH，其酶活性在NADH/NAD+,ATP/ADP比值升高时被反馈抑制。琥珀酰CoA抑制一酮戊二酸脱氢酶复合体的活性。终产物ATP可抑制柠檬酸合酶和异柠檬酸脱氢酶的活性，而ADP则是它们的别构激活剂。另外，当线粒体内Ca 2+浓度升高时，Ca 2+不仅可直接与异柠檬酸脱氢酶和一酮戊二酸脱氢酶复合体相结合，降低其对底物的Km而使酶激活；也可激活丙酮酸脱氢酶复合体，从而推动糖有氧氧化的进行。2.柠檬酸循环与上游和下游反应相协调在正常情况下，糖酵解和柠檬酸循环的速度是相协调的。在糖酵解中产生了多少丙酮酸，柠檬酸循环就正好需要多少丙酮酸来提供乙酰CoA。第六章 糖代谢 125这种协调不仅体现在ATP、NADH对多种关键酶的别构抑制作用，亦体现在柠檬酸对磷酸果糖激酶一1的别构抑制作用。氧化磷酸化的速率对柠檬酸循环的运转也起着非常重要的作用。柠檬酸循环中有4次脱氢反应，从代谢物脱下的氢分别为NAD+和FAD所接受，然后H+和e通过电子传递链进行氧化磷酸化。如不能有效进行氧化磷酸化NADH+H十和FADH2仍保持还原状态，则柠檬酸循环中的脱氢反应都将无法继续进行。柠檬酸循环的调节如图6一9所示。糖有氧氧化的调节是为了适应机体对能量的需要，因此，细胞内ATP/ADP或ATP/AMP比率精确调控着该过程中诸多关键酶的活性，整个有氧氧化得以协调进行。当细胞消耗ATP而使ADP和AMP浓度升高时，磷酸果糖激酶一1、丙酮酸激酶、丙酮酸脱氢酶复合体和柠檬酸循环中的异柠檬酸脱氢酶、一酮戊二酸脱氢酶复合体等均被激活，有氧氧化加速进行以补充ATP。反之，当细胞内ATP充足时，上述酶的活性均降低，有氧氧化减弱以节约能源。细胞内ATP的浓度约为AMP的50倍。ATP被利用生成ADP后，可再通过腺苷酸激酶反应生成AMP：2ADP-.ATP+AMPo由于AMP的浓度很低，所以每生成1分子AMP，其浓度的变动比ATP的变动大得多，这样信号得以放大，从而发挥有效的调节作用。五、糖有氧氧化可抑制糖无氧氧化酵母菌在无氧时进行生醇发酵；将其转移至有氧环境，生醇发酵即被抑制。这种有氧氧化抑制生醇发酵（或糖无氧氧化）的现象称为巴斯德效应（Pasteur effect）。肌组织中也存在类似现象。糖酵解产生的丙酮酸，面临着有氧氧化和无氧氧化两种代谢选择，决定因素是NADH+H+的去路。缺氧时，NADH+H+留在胞质，丙酮酸就接受氢而还原生成乳酸。有氧时,NADH+H+进人线粒体内氧化，丙酮酸就彻底分解成CO2和H2O,而此时胞质中的糖无氧氧化途径受到抑制。一般来说，无氧时所消耗的葡萄糖为有氧时的7倍，这是因为氧缺乏导致氧化磷酸化受阻，ADP/ATP比例升高，磷酸果糖激酶一1和丙酮酸激酶被激活，从而加速了有萄糖的分解利用。126 第二篇 物质代谢及其调节框6-2 Warburg效应肿瘤细胞具有独特的代谢规律。以糖代谢为例，肿瘤细胞消耗的葡萄糖远远多于正常细胞，更重要的是，即使在有氧时，肿瘤细胞中萄萄糖也不彻底氧化而是被分解生成乳酸，这种现象由德国生物化学家0. H. Warburg所发现，故称W arburg效应( Warburg effect)。肿瘤细胞为何偏爱这种低产能的代谢方式成为近年来的研究热点。Warburg效应使肿瘤细胞获得生存优势，至少体现在两方面：一是提供大量碳源，用以合成蛋白质、脂类、核酸，满足肿瘤快速生长的需要；二是关闭有氧氧化通路，避免产生自由基，从而逃避细胞凋亡。肿瘤选择W arburg效应的根本机制在于对关键酶的调节。例如，肿瘤组织中往往过量表达M2型丙酮酸激酶（PKM2），并且其二聚体形式占主体，能够诱发Warburg效应。异柠檬酸脱氮酶1/2 (IDH1/2)在神经胶质瘤中常发生基因突变，突变后促进体内产生2-羟戊二酸（2-HG），该产物积累与肿瘤发生发展密切相关。此外，肿瘤组织中磷酸戊糖途径比正常组织更为活跃，有利于进行生物合成代谢，目前认为一部分原因是肿瘤抑制基因TP53发生突变，从而失去了对葡糖一6一磷酸脱氢酶的抑制作用。这些肿瘤代谢特征已成为疾病诊治的新依据和突破点。第四节磷酸戊糖途径葡萄糖在细胞内除通过无氧氧化和有氧氧化分解产能外，还存在其他不产能的分解代谢途径，如磷酸戊糖途径。磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway)是指从糖酵解的中间产物葡糖6一磷酸开始形成旁路，通过氧化、基团转移两个阶段生成果糖一6一磷酸和3一磷酸甘油醛，从而返回糖酵解的代谢途径，亦称为磷酸戊糖旁路（pentose phosphate shunt）。磷酸戊糖途径不能产生ATP，其主要意义是生成NADPH和磷酸核糖，这两种物质是肝、脂肪组织、哺乳期的乳腺、肾上腺皮质、性腺、骨髓和红细胞等组织发挥功能所需要的。一、磷酸戊搪途径分为两个反应阶段磷酸戊糖途径在胞质中进行，分为两个阶段：第一阶段是氧化反应，生成磷酸核糖、NADPH和CO2；第二阶段是基团转移反应，最终生成果糖一6一磷酸和3一磷酸甘油醛。（一）第一阶段是氧化反应在第一阶段的氧化反应过程中，1分子葡糖一6-磷酸生成核糖一5磷酸，同时生成2分子NADPH和1分子CO2。生成的磷酸核糖可用于合成核苷酸，NADPH也可用于许多化合物的合成代谢。第六章 糖代谢 127具体反应过程如下：首先在葡糖一6一磷酸脱氢酶（glucose-6-phosphate dehydrogenase）催化下，葡糖一6一磷酸氧化成6一磷酸葡糖酸内脂，脱下的氢由NADP+接受而生成NADPH，此反应需要Mg 2+参与。接着由内脂酶 (lactonase )催化，6-磷酸葡糖酸内脂水解为6一磷酸葡糖酸，后者在6一磷酸葡糖酸脱氢酶作用下氧化脱羧生成核酮糖-5-磷酸，同时生成NADPH及CO2。最后，核酮糖一5磷酸由异构酶催化转变成核糖一5磷酸；或者由差向异构酶催化转变为木酮糖一5磷酸。（二）第二阶段是一系列基团转移反应经过第二阶段的一系列基团转移反应，核糖一5磷酸最终转变为果搪一6磷酸和3-磷酸甘油醛。这一阶段非常重要，因为细胞对NADPH的消耗量远大于磷酸戊糖，多余的戊糖需要通过此反应返回糖酵解的代谢途径再次利用。反应可概括为：3分子磷酸戊糖转变成2分子磷酸己糖和1分子磷酸丙糖。一系列基团转移的接受体都是醛糖，反应分为两类。一类是转酮醇酶（transketolase）反应，转移含1个酮基、1个醇基的2碳基团，反应需TPP作为辅酶并需Mg2+参与；另一类是转醛