基础生物化学糖类分解代谢

基础生物化学糖类分解代谢第1页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.1新陈代谢概论新陈代谢是生物于周围环境进行物质和能量交换的过程。包括同化作用(assimilation)和异化作用(dissimilation)两个方面。生物体通过同化作用(合成代谢)不断地从环境中摄取物质，经一系列生化反应转变为自己的组分；通过异化作用(分解代谢)将原有的组分经一系列生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外。第2页，共144页，2023年，2月20日，星期四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。新陈代谢类型的特点：①绝大多数代谢反应在温和条件下，由酶催化进行。②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。第3页，共144页，2023年，2月20日，星期四③新陈代谢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。④每一代谢都有各自的代谢途径，代谢反应中任一反应物、中间物或产物，都称为代谢物(metabolite)；⑤生物大分子的合成和分解都是逐步进行的，并伴随着能量的吸收和释放。第4页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.1.2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：5.1.2.1示踪法①苯环化合物示踪法，如Knoop利用苯甲酸、苯乙酸标记脂肪酸，提出了脂肪酸-氧化学说。第5页，共144页，2023年，2月20日，星期四②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。③放射性同位素示踪法等。如卡尔文以14CO2饲喂植物，再用纸层析分离CO2代谢的中间物，提出光合作用中CO2转变为糖的卡尔文循环(Calvincycle)。第6页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.1.2.2抗代谢物、酶抑制剂的应用在离体条件下，使用抗代谢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。第7页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.1.2.3体内试验和体外试验①体内研究(invivo)以生物整体进行中间代谢研究称为体内研究，包括用整体器官或微生物细胞群进行的研究。如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”；第8页，共144页，2023年，2月20日，星期四②体外研究(invitro，novivo)以组织切片、匀浆、提取液为材料进行研究称为体外研究。如Krebs以肌肉糜(匀浆)为材料，研究酶抑制剂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。在实际工作中应根据不同的研究对象采用不同研究方法，但以同位素示踪法(isotopictracertechnique)最常用。第9页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.2生物体内的糖类糖是具有实验式(CH2O)n的多羟基醛或酮，它分为单糖、寡糖、多糖和结合糖四类。糖的生物学作用：①糖类是生物体内重要的能源，糖分解产生的ATP可供需能代谢之用。②糖分解代谢的许多中间物是合成氨基酸、脂肪、核苷酸的原料。第10页，共144页，2023年，2月20日，星期四③糖与蛋白质、脂类结合成复合糖，参与细胞识别、防御、免疫、粘附、结构等多种过程。④结构功能，如纤维素等。非糖代谢底物也可以经过其它途径再转化为糖分解代谢的中间物，彻底氧化分解或者沿糖异生途径转化为糖，形成了以糖为中心的代谢网络。第11页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.2.1单糖（monosaccharides）单糖是最简单的，不再被水解成更小的糖单位。(CH2O)n，

n=3～9

，其中戊糖（pentose)和己糖(hexose）分布广意义大。根据单糖中碳原子数目分为丙、丁、戊、已糖等；根据其结构特点又分为醛糖和酮糖。第12页，共144页，2023年，2月20日，星期四丙糖中的醛糖是甘油醛，它有一个不对称碳原子，故其构型有D-甘油醛和L-甘油醛之分。凡可视为D-甘油醛衍生物的糖都是D糖；凡可视为L-甘油醛衍生物的糖都是L糖。丙糖中的酮糖为二羟基丙酮。第13页，共144页，2023年，2月20日，星期四第14页，共144页，2023年，2月20日，星期四自然界中的单糖多为醛糖，其中以己糖最普遍、最重要，戊糖次之。己醛糖中的葡萄糖分布最广，是构成淀粉、糖原、纤维素及其他许多糖类物质的基本单位，且是人类血液中的正常成分，给机体提供能量的重要物质。第15页，共144页，2023年，2月20日，星期四第16页，共144页，2023年，2月20日，星期四已糖多以比较稳定的1：5氧桥的六元环结构（吡喃型）存在。在溶液中，六元环结构己糖常与极少量1：4氧桥五元环结构（呋喃型）糖成平衡状态。戊糖以呋喃型结构存在。在环状结构中，戊糖，己糖分别含有四个和五个不对称碳原子，它们分别有24即16，25即32种同分异构体。每种糖又依据第一碳原子上羟基和氢的相对空间位置分为和型两类，它们互为异头物。第17页，共144页，2023年，2月20日，星期四单糖具有旋光性，其旋先度可借旋光仪测得，并计算得到旋光率。它能与酸、碱起作用，不同条件下氧化产生不同类型的酸。它能被还原成醇。有成蜡、成糖苷和成腙，成脎反应，常借助这些反应分析，鉴定糖。单糖中的酮糖，与醛糖相同，亦具有环状结构，其五元环即呋喃型糖较常见。第18页，共144页，2023年，2月20日，星期四第19页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.2.2寡糖(oligosaccharides)寡糖是少数单糖（2~10个）的缩合产物。其中最重要的是双糖，双糖中常见的是蔗糖（sucrose）、麦芽糖(maltose)、乳糖(lactose)。第20页，共144页，2023年，2月20日，星期四蔗糖分子中的葡萄糖和果糖经醛、酮基缩合，失去还原、成腙、变旋等特性。麦芽糖分子由两分子葡萄糖；乳糖分子由葡萄糖和半乳糖各一分子通过1,4-糖苷键连接起来。二者仍有一个自由醛基，也即半缩醛基，故有还原、成脎、变旋等性质。第21页，共144页，2023年，2月20日，星期四第22页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.2.3多糖（polysaccharides）多糖是多个单糖基通过糖苷键连接而形成的高聚物。常见的有由一种类型的糖基组成的淀粉（starch）、糖原（glycogen）和纤维素（cellulose）等。第23页，共144页，2023年，2月20日，星期四淀粉是由-D-葡萄糖缩合而成，是植物贮存的养料，分为直链和支链淀粉，葡萄糖分子间多是(14)糖苷健，而分支点上是

(16)糖苷健。第24页，共144页，2023年，2月20日，星期四淀粉遇碘液呈紫蓝色反应。能为酸或淀粉酶所水解，逐步降解时遇碘可显出不同颜色。淀粉→红色糊精→无色糊精→麦芽糖→葡萄糖蓝紫→红色→不显色→不显色→不显色直链淀粉溶于热水，分子量1.0×104~2.0×106，约250~300个葡萄糖残基，分子通常卷曲为螺旋形，每一转有6个葡萄糖残基。遇碘呈紫兰色，最大吸收波长620~680nm。第25页，共144页，2023年，2月20日，星期四支链淀粉不溶于热水，分子量5.0×104~4.0×108，约﹥600个葡萄糖残基，糖链分支点以（1→6）糖苷键连接，分支短链的平均长度为24~30个葡萄糖残基。遇碘显紫红色，最大吸收波长530~555nm之间。第26页，共144页，2023年，2月20日，星期四糖原是动物组织内糖的贮存形式，如肝和肌肉中贮存的养分，有动物淀粉之称。其分子量较淀粉的略大，分支较支链淀粉略多，单糖连接方式与支链淀粉相同，分支链平均长度约12~18个葡萄糖残基。遇碘显棕红色，最大吸收波长430~490nm。较易溶于水，遇碘液呈棕红色外，其他性质与淀粉相似。第27页，共144页，2023年，2月20日，星期四纤维素是构成植物躯干的主要成分，它由许多-D-葡萄糖分子通过(14)糖苷键缩合生成，其分子甚大，故不溶于水，稀酸、稀碱及其他普通有机溶剂中。第28页，共144页，2023年，2月20日，星期四由一种以上类型的糖及其衍生物残基组成。如糖胺聚糖（粘多糖）为含氮多糖。有透明质酸，硫酸软骨素、硫酸皮肤素，硫酸角质素、肝素及硫酸乙酰肝素，存在于软骨、腱等结缔组织和各种腺体分泌的粘液中，有构成组织间质，润滑剂、防护剂等多方面作用。多糖研究近20年来取得了突破性的进展，并成为近代生物化学中一个新兴的活跃领域。第29页，共144页，2023年，2月20日，星期四第30页，共144页，2023年，2月20日，星期四第31页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.3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蔗糖的水解蔗糖是植物光合作用产物的主要运输形式。①在蔗糖合成酶作用下水解第32页，共144页，2023年，2月20日，星期四②在蔗糖酶（转化酶）作用下水解5.3.1.2麦芽糖的水解麦芽糖酶可催化麦芽糖水解为葡萄糖。第33页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.3.1.3乳糖的水解乳糖在-半乳糖苷酶催化下水解为D-葡萄糖和D-半乳糖。第34页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.3.2淀粉(糖原)的酶促降解淀粉（糖原）有水解和磷酸解两种酶促降解途径。5.3.2.1淀粉酶促水解淀粉酶、-淀粉酶、脱支酶和麦芽糖酶参与了植物体内的淀粉水解。第35页，共144页，2023年，2月20日，星期四①-淀粉酶耐热(70℃,15min)不耐酸(pH3.3)，在淀粉分子内部随机水解-1,4糖苷键，将直链淀粉水解的产物为葡萄糖、麦芽糖；将支链淀粉作用产物为葡萄糖、麦芽糖和糊精。第36页，共144页，2023年，2月20日，星期四②-淀粉酶耐酸不耐热，从多糖的非还原端的-1,4糖苷键，将直链淀粉水解成麦芽糖；将支链淀粉（或糖原）水解为麦芽糖和极限糊精。第37页，共144页，2023年，2月20日，星期四③脱支酶（R酶）可专一水解-1,6糖苷键。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麦芽糖酶水解麦芽糖和糊精中的-1,4糖苷键，生成葡萄糖。第38页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.3.2.2淀粉的磷酸解淀粉磷酸化酶广泛存在于高等植物的叶片及绝大多数贮藏器官中。淀粉磷酸化酶催化-1,4葡聚糖非还原末端的葡萄糖转移给Pi，生成G-1-P，同时产生一个新的非还原末端，继续进行磷酸化。淀粉+nH3PO4=nG-1-P第39页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.3.2.3糖原的磷酸解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。糖原磷酸化酶(glycogenphosphorylase)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。第40页，共144页，2023年，2月20日，星期四糖原磷酸解时，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，然后由-1,4-1,4-寡聚糖基转移酶(oligosaccharyltransferase)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。第41页，共144页，2023年，2月20日，星期四第42页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.3.3细胞壁多糖的酶促降解纤维素是由1000~10000个-D-葡萄糖通过-1，4糖苷键连接的直链分子，是植物细胞壁的主要组分。纤维素可在酸或纤维素酶作用下水解为-葡萄糖。第43页，共144页，2023年，2月20日，星期四单糖的分解代谢在生物体内首先要将多糖水解为单糖才能为生命活动提供能源或碳源，葡萄糖是大多数有机体生命活动的主要能源，细胞通过分解葡萄糖将其中所含的化学能转化成细胞能够利用的形式（ATP）。第44页，共144页，2023年，2月20日，星期四葡萄糖彻底氧化分解成CO2和H2O要经历EMP-TCA、电子传递和氧化磷酸化几个反应阶段，并将氧化释放的能量转变成ATP。第45页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.4糖酵解（glycolysis）EMP5.4.1糖酵解的概念糖酵解是指葡萄糖在酶的作用下，在细胞质中经一系列脱氢氧化分解成丙酮酸的过程。由氧化分解没有氧气参与，故称之为酵解。G.Embden,O.Meyerhof,J.K.Parnas在研究糖酵解途径中作出了重大贡献，简称为EMP途径。第46页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.4.2EMP的生化历程糖酵解分为己糖的磷酸化、磷酸己糖的裂解和丙酮酸的生成三个阶段，共10个反应组成。第47页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.4.2.1己糖的磷酸化①葡萄糖的磷酸化(phosphorylationofglucose)在己糖激酶作用下消耗ATP，使葡萄糖的第6位碳上被磷酸化生成6-磷酸葡萄糖(G-6-P)，这不仅活化了葡萄糖，也有利于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。第48页，共144页，2023年，2月20日，星期四Mg2+是己糖激酶的激活剂，6-磷酸葡萄糖是己糖激酶的反馈抑制物。第49页，共144页，2023年，2月20日，星期四②6-磷酸葡萄糖的异构反应(isomerizationofglucose-6-phosphate)磷酸己糖异构酶(phosphohexoseisomerase)催化6-磷酸葡萄糖转变为6-磷酸果糖(fructose-6-phosphate,F-6-P)。第50页，共144页，2023年，2月20日，星期四第51页，共144页，2023年，2月20日，星期四③6-磷酸果糖的磷酸化(phosphorylationoffructose-6-phosphate)磷酸果糖激酶(phosphofructokinase,PFK)催化6-磷酸果糖第一位C上磷酸化生成1,6-二磷酸果糖，磷酸根由ATP供给。第52页，共144页，2023年，2月20日，星期四PFK催化的反应是不可逆反应，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等是变构激活剂。第53页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.4.2.2磷酸己糖的裂解④1.6-二磷酸果糖的裂解(cleavageoffructose1,6di/bisphosphate)醛缩酶(aldolase)催化1.6-二磷酸果糖生成磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛。第54页，共144页，2023年，2月20日，星期四第55页，共144页，2023年，2月20日，星期四⑤磷酸二羟丙酮的异构反应(isomerizationofdihydroxyacetonephosphate)磷酸丙糖异构酶(triosephosphateisomerase)催化磷酸二羟丙酮转变为3-磷酸甘油醛。至此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。第56页，共144页，2023年，2月20日，星期四第57页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.4.2.3丙酮酸的生成⑥3-磷酸甘油醛的氧化(oxidationofglyceraldehyde-3-phosphate）3-磷酸甘油醛脱氢酶(glyceraldehyde3-phosphatedehydrogenase)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1,3-二磷酸甘油酸，反应脱下的氢和电子转给NAD生成NADH，磷酸根来自无机磷酸。第58页，共144页，2023年，2月20日，星期四⑦1.3-二磷酸甘油酸的高能磷酸键转移反应磷酸甘油酸激酶(phosphaglyceratekinase,PGK)催化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。第59页，共144页，2023年，2月20日，星期四在底物氧化过程中，将底物分子中的高能磷酸基团直接转移给ADP，偶联生成ATP的反应称为底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)。第60页，共144页，2023年，2月20日，星期四⑧3-磷酸甘油酸的变位反应磷酸甘油酸变位酶(phosphoglyceratemutase)催化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。第61页，共144页，2023年，2月20日，星期四⑨2-磷酸甘油酸的脱水反应由烯醇化酶(enolase)催化，2-磷酸甘油酸脱水的同时，能量重新分配，生成含高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvatePEP)。第62页，共144页，2023年，2月20日，星期四⑩磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸转移在丙酮酸激酶(pyruvatekinase,PK)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，这是第二次底物水平的磷酸化过程。第63页，共144页，2023年，2月20日，星期四第64页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.4.3糖酵解的化学计量于生物学意义1分子葡萄糖经过EMP途径氧化分解产生2个丙酮酸，2个ATP和2个NADH。生成的2NADH若进入有氧的彻底氧化途径可产生6ATP。G+2Pi+2NAD++2ADP→2Pyr+2ATP+2NADH+2H++2H2O第65页，共144页，2023年，2月20日，星期四第66页，共144页，2023年，2月20日，星期四EMP的生物学意义①EMP是糖的有氧氧化和无氧氧化的一段共同途径；②EMP是有机体在无氧条件下获得能量的一种适应方式。③EMP的一些中间产物可以作为合成其它重要生命

物质的原料。④EMP在糖与非糖物质的相互转变过程中起着重要作用。第67页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.4.4糖酵解的其它底物许多糖类可转变为糖酵解的底物或中间产物进入酵解途径。第68页，共144页，2023年，2月20日，星期四第69页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.4.5丙酮酸的去路糖酵解终产物进一步分解代谢的去路取决于氧的有无。在有氧条件下丙酮酸进入线粒体脱氢氧化生成乙酰CoA，进入TCA继续进行氧化分解；缺氧时丙酮酸被还原成乳酸或乙醇。第70页，共144页，2023年，2月20日，星期四①乳酸的生成乳酸脱氢酶(lactatedehydrogenase)催化丙酮酸生成乳酸。反应中丙酮酸作为氢接受体将3-磷酸甘油醛脱氢生成的NADH氧化为NAD，使糖酵解继续进行。第71页，共144页，2023年，2月20日，星期四②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，乙醛在醇脱氢酶催化下被NADH还原形成乙醇。乙醇发酵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。第72页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.4.6糖酵解的调节代谢受到严格而精确的调节，以满足机体的需要，保持内环境的稳定。这种控制主要是通过调节酶的活性来实现的。在一个代谢过程中往往催化不可逆反应的酶限制代谢反应速度，这种酶称为调节酶。第73页，共144页，2023年，2月20日，星期四糖酵解途径中己糖激酶(HK)，磷酸果糖激酶-1(PFK-1)和丙酮酸激酶(PK)是主要的调节酶，调节着糖酵解的速度，以满足细胞对ATP和合成原料的需要。5.4.6.1磷酸果糖激酶三个调节酶中起决定作用的是催化效率最低的酶PFK。因此它是一个限速酶，酵解速度主要决定于其活性。①6-磷酸果糖、ADP和AMP是磷酸果糖激酶的别构激活剂，而ATP、柠檬酸等是该酶的别构抑制剂。第74页，共144页，2023年，2月20日，星期四ATP既是该酶作用的底物，又起抑制作用。酶活性中心对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。ATP通过浓度变化影响磷酸果糖激酶活性，调节糖酵解速度。第75页，共144页，2023年，2月20日，星期四②柠檬酸和脂肪酸对磷酸果糖激酶的别构抑制柠檬酸和脂肪酸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。③果糖-2,6-二磷酸对磷酸果糖激酶的调节果糖-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(FBPase)催化F-2,6-BP水解去磷酸形成F-6-P。第76页，共144页，2023年，2月20日，星期四第77页，共144页，2023年，2月20日，星期四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，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PPK2/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。第78页，共144页，2023年，2月20日，星期四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/PBPase2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升高，提高糖酵解速率。第79页，共144页，2023年，2月20日，星期四④H+对磷酸果糖激酶的调节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。5.4.6.2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，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。第80页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.4.6.3丙酮酸激酶丙酮酸激酶具有变构酶性质，高浓度ATP、丙氨酸、乙酰CoA等代谢物抑制其活性，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。ADP是变构激活剂，Mg2+或K+可激活丙酮酸激酶的活性。第81页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.5三羧酸循环(tricarboxylicacidcycle，TCA）1937年，H.A.Krebs以鸽胸肌为材料，研究丙酮酸有氧条件下在线粒体中被氧化分解为CO2，整个氧化分解过程构成一个循环，且反应中有三个羧基的有机酸，称为三羧酸循环，又称Krebs环。由于TCA中乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成了柠檬酸，又称为柠檬酸循环(citricacidcycle)。EMP的终产物丙酮酸在有氧条件下丙酮酸进入线粒体，氧化分解为CO2的过程。第82页，共144页，2023年，2月20日，星期四糖降解代谢大部分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。丙酮酸在线粒体中的氧化可分为两个阶段：丙酮酸氧化为乙酰CoA和乙酰CoA的乙酰基部分经过三羧酸循环氧化为CO2。第83页，共144页，2023年，2月20日，星期四第84页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.5.1丙酮酸氧化为乙酰CoA丙酮酸脱氢酶系(pyruvatedehydrogenasesystem)催化丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA。第85页，共144页，2023年，2月20日，星期四丙酮酸脱氢酶系是一个多酶复合体，位于线粒体内膜上，由丙酮酸脱羧酶(E1)，硫辛酸乙酰转移酶(E2)，二氢硫辛酸脱氢酶(E3)3种酶组成。多酶复合体形成了紧密相连的连锁反应机构，提高了催化效率。酶系催化的反应分5步进行。涉及焦磷酸硫胺素(TPP)、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA和Mg2+等6种辅因子。第86页，共144页，2023年，2月20日，星期四第87页，共144页，2023年，2月20日，星期四丙酮酸到乙酰CoA处于代谢途径的分支点，是一个重要的步骤。丙酮酸氧化脱羧反应过程的第一步脱羧反应是不可逆的，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CoA-SH和NAD+逆转。第88页，共144页，2023年，2月20日，星期四②核苷酸调节丙酮酸脱羧酶E1受GTP抑制，为AMP活化，即当细胞内富有活跃的化学能时，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，失去活性，当酶上的磷酸基团被专一的磷酸酶水解时，活性恢复。第89页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.5.2三羧酸循环的运转①乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸在柠檬酸合成酶(citratesynthetase)催化下，乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸，此反应是一个放能过程，反应不可逆。第90页，共144页，2023年，2月20日，星期四乙酰CoA具有硫酯键，乙酰基有足够能量与草酰乙酸(oxaloacetate)的羧基进行醛醇型缩合。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。第91页，共144页，2023年，2月20日，星期四由草酰乙酸和乙酰CoA合成柠檬酸是三羧酸循环的重要调节点（限速酶），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，α-酮戊二酸、NADH能变构抑制其活性，AMP可对抗ATP的抑制而起激活作用。第92页，共144页，2023年，2月20日，星期四②异柠檬酸形成在顺乌头酸酶催化下，柠檬酸脱水生成顺乌头酸，加水生成异柠檬酸。第93页，共144页，2023年，2月20日，星期四③异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸在异柠檬酸脱氢酶作用下，异柠檬酸氧化脱氢生成草酰琥珀酸(oxalosuccinate)中间产物，再脱羧生成-酮戊二酸(-ketoglutarate)、NADH和CO2，此反应为-氧化脱羧，此酶需要Mn2+作为激活剂。第94页，共144页，2023年，2月20日，星期四④-酮戊二酸氧化脱羧在-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和CO2，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。第95页，共144页，2023年，2月20日，星期四-酮戊二酸脱氢酶系由-酮戊二酸脱羧酶、硫辛酸琥珀酰基转移酶、二氢硫辛酸脱氢酶等3个酶和TPP、硫辛酸、HSCoA、NAD、FAD等5个辅酶组成。-酮戊二酸脱氢酶复合体受ATP、GTP、NAPH和琥珀酰CoA抑制，但不受磷酸化/去磷酸化的调控。第96页，共144页，2023年，2月20日，星期四⑤琥珀酸的生成在琥珀酸硫激酶(succinatethiokinase)的作用下，琥珀酰CoA的硫酯键水解，生成琥珀酸，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。第97页，共144页，2023年，2月20日，星期四

二磷酸核苷激酶GTP+ADPGDP+ATP第98页，共144页，2023年，2月20日，星期四⑥琥珀酸脱氢生成延胡索酸琥珀酸脱氢酶(succinatedehydrogenase)催化琥珀酸氧化成为延胡索酸。第99页，共144页，2023年，2月20日，星期四琥珀酸脱氢酶结合在线粒体内膜上，而其他三羧酸循环的酶都存在于线粒体基质中。琥珀酸脱氢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TCA。第100页，共144页，2023年，2月20日，星期四⑦苹果酸的生成延胡索酸在延胡索酸酶的作用下水化生成苹果酸。延胡索酸酶仅对延胡索酸的反式双键起作用，而对顺丁烯二酸(马来酸)无催化作用，因而是高度立体特异性的。第101页，共144页，2023年，2月20日，星期四⑧草酰乙酸再生在苹果酸脱氢酶(malicdehydrogenase)作用下，苹果酸脱氢氧化生成草酰乙酸。NAD是脱氢酶的辅酶，接受氢成为NADH。第102页，共144页，2023年，2月20日，星期四第103页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.5.2.2草酰乙酸的回补反应三羧酸循环的中间产物可参与合成其他物质，而其他物质也可不断通过多种途径而生成中间产物，所以三羧酸循环组分处于不断更新之中。第104页，共144页，2023年，2月20日，星期四三羧酸循环的中间产物是很多物质合成的原料。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，柠檬酸转运至胞液后裂解成乙酰CoA用于脂肪酸合成。这会导致草酰乙酸浓度的下降而影响三羧酸循环的运行，通过丙酮酸的羧化、PEP的羧化、天冬氨酸和谷氨酸转氨等回补反应可维持其浓度，使三羧酸循环正常运行。第105页，共144页，2023年，2月20日，星期四第106页，共144页，2023年，2月20日，星期四草酰乙酸的回补主要途径①丙酮酸的羧化丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下形成草酰乙酸。第107页，共144页，2023年，2月20日，星期四在动植物和微生物中，还存在由苹果酸酶和苹果酸脱氢酶联合催化，由丙酮酸合成草酰乙酸的反应。第108页，共144页，2023年，2月20日，星期四第109页，共144页，2023年，2月20日，星期四②PEP的羧化PEP在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶作用下形成草酰乙酸。反应在胞液中进行，生成的草酰乙酸需转变成苹果酸后穿梭进入线粒体，然后再脱氢生成草酰乙酸。第110页，共144页，2023年，2月20日，星期四③天冬氨酸和谷氨酸转氨作用天冬氨酸和谷氨酸经转氨作用可形成草酰乙酸和-酮戊二酸。异亮氨酸、缬氨酸和苏氨酸、甲硫氨酸也可形成琥珀酰CoA。第111页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.5.2.3TCA中的化学计量和特点①CO2的生成TCA中有3次脱羧基反应，通过脱羧作用生成CO2是机体内产生CO2的普遍规律，可见机体CO2的生成与体外燃烧生成CO2的过程截然不同。第112页，共144页，2023年，2月20日，星期四②脱氢反应三羧酸循环的5次脱氢，其中4对氢原子还原NAD生成NADH，1对氢原子还原FAD生成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。第113页，共144页，2023年，2月20日，星期四③乙酰CoA进入循环与草酰乙酸缩合生成柠檬酸，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。第114页，共144页，2023年，2月20日，星期四1分子丙酮酸经TCA脱氢形成4分子NADH和1分子FADH2，经氧化磷酸化分别能产生12个和2个共14个ATP分子，加上TCA本身生成的1分子GTP(也可视作1分子ATP)，共15个ATP分子。每分子葡萄糖能产生两分子丙酮酸，将产生152即30个分子的ATP。这远比酵解所产生的ATP分子数大得多。第115页，共144页，2023年，2月20日，星期四第116页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.5.3三羧酸循环的调控TCA中柠檬酸合成和-酮戊二酸的氧化脱羧反应是不可逆的，因此整个TCA只能向单方向进行。柠檬酸合酶、柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶复合体催化的反应是TCA中的限速步骤。其中柠檬酸合酶是关键反应的限速酶。第117页，共144页，2023年，2月20日，星期四TCA中柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶主要通过产物的反馈抑制来实现调节的。TCA是机体产能的主要方式，因此ATP/ADP与NADH/NAD两者的比值是主要调节物。第118页，共144页，2023年，2月20日，星期四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。NADH/NAD比值升高抑制柠檬酸合成酶和α-酮戊二酸脱氢酶活性。此外，柠檬酸抑制柠檬酸合成酶活性，而琥珀酰CoA抑制α-酮戊二酸脱氢酶活性。组织中代谢产物决定循环反应的速度，以便调节机体ATP和NADH浓度，保证机体能量供给。第119页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.5.4TCA的生理意义①TCA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，而经TCA可将糖类彻底氧化分解净生成38个ATP。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TCA是生物体产能最有效的方式。第120页，共144页，2023年，2月20日，星期四②TCA是物质代谢的枢纽。TCA是糖、脂肪、蛋白质、核酸等物质彻底氧化分解的共同途径，同时也是这几大类物质相互转变的中心环节，因此具有代谢的枢纽作用。③TCAC的一些中间产物也是某些植物的贮藏物质。如柠檬酸、苹果酸等。第121页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.6磷酸戊糖途径在组织匀浆中加入碘乙酸或氟化物等EMP的抑制剂，仍有一定量的葡萄糖被氧化成水和CO2，同位素标记表明，葡萄糖的氧化首先发生在C1位，证明此过程不同于EMP途径。第122页，共144页，2023年，2月20日，星期四1955年Racker和Gunsalus等发现了磷酸戊糖途径(pentosephosphatepathway，PPP)又称已糖单磷酸支路(hexosemonophosphateshut,HMS)。磷酸戊糖途径是有O2条件下，在细胞质中将葡萄糖直接氧化分解为CO2的过程。第123页，共144页，2023年，2月20日，星期四第124页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.6.1生化历程PPP可分为葡萄糖的直接氧化阶段和非氧化的分子重组合阶段。5.6.1葡萄糖的氧化脱羧阶段①脱氢反应6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶催化下生成6-磷酸葡萄糖酸内酯。第125页，共144页，2023年，2月20日，星期四②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。第126页，共144页，2023年，2月20日，星期四第127页，共144页，2023年，2月20日，星期四③脱氢脱羧反应在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶催化下6-磷酸葡萄糖酸经氧化脱羧生成5-磷酸核酮糖、NADPH和CO2。第128页，共144页，2023年，2月20日，星期四5.6.1.2非氧化的分子重组合阶段④异构化反应5-磷酸核酮糖异构化为5-磷酸核糖；5-磷酸核酮糖差向异构化(异构化)为5-磷酸木酮糖。第129页，共144页，2023年，2月20日，星期四⑤转酮醇反应转酮醇酶催化磷酸酮糖上的2C单位羟乙酰基转移到磷酸醛糖的C1上，形成3-磷酸甘油醛和7-磷酸景天庚酮糖。转酮醇酶转移1个2C单位。第130页，共144页，2023年，2月20日，星期四⑥转醛醇反应转醛醇酶催化7-磷酸景天庚酮糖上的二羟基丙酮基团转移给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1个3C单位。第131页，共144页，2023年，2月20日，星期四⑦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。第132页，共144页，2023年，2月20日，星期四⑧异构化反应磷酸果糖经异构化形成6-磷酸葡萄糖。第133页，共144页，2023年，2月20日，星期四磷酸戊糖途径是通过6-磷酸葡萄糖直接脱氢脱羧将糖氧化分