糖的分解代谢

关于糖的分解代谢第1页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

糖是有机体重要的能源和碳源。糖分解产生能量，可以供给有机体生命活动的需要，糖代谢的中间产物又可以转变成其他的含碳化合物如氨基酸、脂肪酸、核酸等。糖的磷酸衍生物可以形成重要的生物活性物质，如NAD、FAD、DNA、RNA、ATP等。糖蛋白、糖脂与细胞的免疫反应，识别作用有关。第2页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

糖代谢可分为糖的分解与糖的合成两方面。糖的分解代谢包括酵解—－糖的共同分解途径；三羧酸循环——糖的最后氧化的途径。糖的合成途径包括糖异生——非糖物质形成糖的途径，糖原合成，结构多糖的合成。糖的中间代谢还有磷酸戊糖途径，糖醛酸途径等。糖代谢受神经、激素及别构物的调节控制。代谢紊乱会引起各种疾病。对糖代谢的研究将有利于疾病的防治。第3页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三第一节糖类的消化、吸收及转运一、糖的消化在动物的消化器官中，淀粉经唾液淀粉酶的作用，其中一部分水解形成麦芽糖，在小肠中，α－淀粉酶水解，产生麦芽二糖和极限糊精；二糖及寡糖经小肠上皮细胞分泌的寡糖酶从非还原末端水解；蔗糖由α－葡萄糖苷酶水解；而乳糖则由β－半乳糖苷酶分解。第4页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三二、糖的吸收食物中的糖经消化后以D—葡萄糖、D—果糖、D—半乳糖等单糖形式被小肠粘膜细胞吸收进入血液。不能被消化的二糖、寡糖及多糖也不能被吸收，它们经肠道细菌的分解后，以酸、CH4、CO2或H2的形式放出或参加代谢。三、糖的转运小肠内转运单糖的主要系统为小肠腔上表皮细胞膜内的Na+—单糖协同转运系统，其主要功能是转运D—葡萄糖和D—半乳糖。还有一个不需要Na+的易化扩散系统，主要对D－果糖有特殊的转运活性。

Na+—葡萄糖转运系统可被根皮苷抑制，不需Na+的转运系统则可被细胞松弛素所抑制。第5页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三第二节酵解一、酵解与发酵1．酵解：是酶将葡萄糖降解成丙酮酸并伴随着生成ATP的过程。它是动物、植物、微生物细胞中葡萄糖分解产生能量的共同代谢途径。在好氧有机体中，酵解生成的丙酮酸进入线粒体经三羧酸循环被彻底氧化成CO2和H2O，酵解生成的NADH经呼吸链氧化而产生ATP和水。所以，酵解是氧化磷酸化和三羧酸循环的前奏。第6页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三2．发酵：厌氧有机体(如酵母或其他微生物)把酵解生成的NADH中的氢交给丙酮酸脱羧生成的乙醛，使之形成乙醇。这个过程称为酒精发酵。若将氢交给丙酮酸生成乳酸，则是乳酸发酵。现在对发酵的定义是：葡萄糖或有机物降解产生ATP的过程，其中有机物既可作为电子的供体，又可作为电子的受体。由于产物不同，又可分为乙醇发酵、乳酸发酵等。第7页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三二、酵解的研究历史糖酵解的研究是从酒精发酵的研究开始的。我国早在4000年前，就有酿酒的记载(战国策记载夏禹公元前23世纪时仪狄作酒)。但是糖变酒的过程，直到19世纪才搞清楚。

1897年，HansBuchner和EduardBuchner兄弟发现，酵母汁可以把蔗糖变成酒精，证明了发酵可以在活细胞以外进行。从而Buchner兄弟打开了现代生物化学发展的大门，使新陈代谢成为可以认识的化学过程。

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1905年ArthurHarden和wi11iamYoung把酵母汁加入葡萄糖中，发现发酵过程中无机磷酸盐逐渐消失，只有不断补充无机磷酸盐才能使发酵速度不降低，因此推测发酵与无机磷将糖磷酸化有关。他们还发现，当将酵母汁透析或加热到50℃，就会失去发酵能力。当加热失活的酵母汁与透析失活的酵母汁混合后又恢复了发酵能力。由此证明发酵活性取决于两类物质；一类是热不稳定的，不可透析的组分称为酿酶，一类是热稳定，可透析的组分称为辅酶，还有金属离子。

1940年，酵解的全过程才被全面了解。GustarEmbden和OttoMeyerhof等人发现肌肉中也存在着与酵母发酵十分类似的不需氧的分解葡萄糖并产生能量的过程，他们称此为酵解过程，这一发现揭示了生物化学过程的普遍性。因此有时称酵解为Embden－Meyerhof途径。第9页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三1905年HardenA和YangWJ发现糖分解过程中生成磷酸酯，随后发现这一过程有辅酶参与。1897年Buchner兄弟发现糖转化为乙醇不需要活细胞。第10页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三30年代Embden和Meyerhof对糖的无氧分解进行深入研究，基本搞清了无氧分解的途径，故这一途径也称作Embden-Meyerhof途径。第11页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三糖酵解

（Glycolysis）

概念：糖酵解是描述葡萄糖通过果糖二磷酸酯的途径降解为丙酮酸并提供ATP的一系列反应。它是首先被阐明的代谢途径，由于G.Emlden,O.Meyerhof,J.K.Parnas三人的贡献最大，又称EMP途径。第12页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三三、酵解途径从葡萄糖开始，酵解全过程共有10步，可分为两个阶段：1、前4步为准备阶段，此阶段中，葡萄糖通过磷酸化分解成三碳糖，每分解一个己糖分子消耗2分子ATP。2、后6步为产生ATP的贮能阶段，磷酸三碳糖变成丙酮酸，每分子三碳糖产生2分子ATP。整个过程需要10种酶，这些酶都在细胞质中，大部分过程中都需Mg2＋第13页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三第14页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三1、葡萄糖磷酸化形成6—磷酸葡萄糖(G—6—P)。葡萄糖是被ATP磷酸化而形成G—6—P。

凡是催化磷酰基键ATP分子转移到受体上的酶都称为激酶，己糖激酶就是其中之一。这是一个耗能的反应。

第15页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三催化这个反应的酶有：(1)己糖激酶(分子量52000)以六碳糖为底物，其专一性不强，不仅可以作用于葡萄糖，还可以作用于D—果糖和D—甘露糖。己糖激酶像其他激酶一样，需为Mg2+或其他二价金属如Mn2+所活化。实际上Mg2+与ATP形成的复合物才是酶的真正底物。第16页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

x射线结晶学研究表明，在己糖激酶催化反应时有构象变化，其变化大致是：酶与葡萄糖结合时，结合裂缝两侧的酶叶关紧，糖被酶蛋白环绕造成非极性环境，从而促使ATP的磷酰基转移，防止水作为底物攻击ATP。这种底物诱导的裂缝关闭现象似乎是激酶的共同特征。

己糖激酶是酵解过程中第一个调节酶。这一步是酵解中第一个调节步骤。肌肉己糖激酶是一个别构酶，被其产物G—6—P强烈地别构抑制。第17页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三第18页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三(2)葡萄糖激酶存在于肝细胞中。它对D—葡萄糖有特异活性，不被G—6—P所抑制。肌肉己糖激酶对D—葡萄糖的km值为0.1mmol／L,肝葡萄糖激酶的km约为10mmol／L。因此平时细胞内葡萄糖浓度为5mmol／L时，已糖激酶的酶促反应已达最大速度，而葡萄糖激酶并不活跃。只有当进食以后，肝细胞内葡萄糖浓度变高时才起作用，将葡萄糖转化成G—6—P，再以糖原形式贮存于细胞中。葡萄糖激酶是一个诱导酶，是由胰岛素促使合成。第19页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三2、6—磷酸葡萄糖转化成6—磷酸果糖（F－6－P）。这是一个同分异构化反应，由磷酸葡萄糖异构酶所催化。这一步酶促反应将羰基键Cl移至C2，为Cl磷酸化作了准备。反应中间物是酶结合的烯醇化合物。由于此反应标准自由能变化很小，反应是可逆的。反应方向是由底物与产物含量水平来控制。第20页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三3、F－6－P磷酸化成1，6—二磷酸果糖(F—1，6—2P)F—6—P被磷酸果糖激酶所催化，将ATP上的磷酰基转移到Cl位置上形成F—1，6—2P。

这一步反应是酵解中的关键反应步骤。酵解的速度决定于此酶的活性，因此它是一个限速酶。磷酸果糖激酶是分子量为3400的四聚体。它是一个别构酶，ATP对此酶有抑制效应，在有柠檬酸、脂肪酸时加强抑制效应。然而AMP，ADP或无机磷可消除抑制，增加酶的活性。第21页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三4．F—1，6—2P裂解成3—磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮。

F—1，6—2P在1，6－二磷酸果糖醛缩酶的催化下使C3和C4之间键断裂。产生二个三碳糖，一个酮糖即磷酸二羟丙酮及一个醛糖即3－磷酸甘油醛。

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1，6—二磷酸果糖醛缩酶催化的反应标准自由能变化为十24千焦耳／摩尔(十5.73千卡/摩尔)，平衡有利于逆反应方向，醛缩酶的名称就是由此而来的。凡是连接两个羰基化合物，例如一个醛和一个酮化合物形成一个醛醇化合物就是醛缩反应。但是正常生理条件下，由于3—磷酸甘油醛不断转化成丙酮酸，大大降低了细胞中的3—磷酸甘油醛的浓度，从而驱动反应向裂解方向进行。第23页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

醛缩酶的反应机理是酶的活性中心上特殊的赖氨酸上的ε氨基与磷酸二羟丙酮上的羰基形成一个四面体中间物，然后去水变成质子化的Schiff氏碱又称酮亚胺，它促使磷酸二羟丙酮形成烯醇化的负碳原子，与3—磷酸甘油醛形成质子化的Schiff氏碱，F—1，6—2P酮亚胺，然后再去质子化和水解除去Schiff氏碱产生F—1，6—2P和酶。1，6—二磷酸果糖的裂解就是这个反应的逆转。动物组织中的醛缩酶有多种同功酶，肌肉中主要是A型，肝中主要是B型，脑中是C型的，它们对金属离子或其他辅助因子无要求；而来自酵母和许多种细菌的酶则被Fe2+、Co2+或Zn2+所激活，并被这些金属的结合试剂所抑制。第24页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三第25页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三5．磷酸三碳糖的同分异构化。磷酸三碳糖中只有3—磷酸甘油醛能继续进入酵解途径。磷酸二羟丙酮则不能，但是它可以在磷酸丙糖异构酶的催化下迅速转化成3—磷酸甘油醛。第26页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

已糖转化成三碳糖后，碳原子顺序数颠倒，已糖原来的碳原子数的C3和C4是3—磷酸甘油醛的C1，C5和C2变成C2，C1和C6变成C3。

磷酸丙糖同分异构酶的分子量是56000，是由8股平行的β折叠链及外围绕8股α螺旋环绕中心而构成的。上述酵解的前5步需消耗2分子ATP，产生2分子3—磷酸甘油醛。以后5步则为产能阶段。第27页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三6、3—磷酸甘油醛转化成3—磷酸甘油酸磷酸，又称1，3－二磷酸甘油酸。

3—磷酸甘油醛在有NAD＋和磷酸时，被磷酸甘油醛脱氢酶所催化，形成1，3－二磷酸甘油酸。

这个反应既是氧化反应又是磷酸化反应。第28页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

磷酸甘油醛脱氢酶活性位置上半胱氨酸残基的一SH就是亲核基团，它与醛基作用形成中间化合物，可将羟基上的氢移至与酶紧密结合的NAD＋上，从而产生NADH和高能硫酯中间物，然后NADH从酶上解离下来，另外的NAD＋与酶活性位置结合，磷酸攻击硫酯键就形成1，3—二磷酸甘油酸(1，3—P—G)。第29页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

酯酰磷酸化反应是热力学不利的反应、其ΔG0’＝49.56千焦耳／摩尔(＋11.8千卡／摩尔)，但是氧化反应的ΔG0’＝一43.2千焦耳／摩尔（一10.3千卡／靡尔)。两个反应由硫酯中间物而偶联在一起，氧化反应的能量驱动磷酸化反应进行。碘乙酸可强烈抑制此酶的活性，因为碘乙酸可与一SH基反应，所以证明一SH基是酶活性所必须的。

砷酸盐(AsO43-)可以与磷酸竞争同高能硫酯中间物结合，形成不稳定的化合物1—砷—3磷酸甘油酸，它可以进一步分解产生3—磷酸甘油酸，但没有磷酸化作用。因此砷酸使这一步的氧化作用和磷酸化作用解偶联。第30页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三7、3—磷酸甘油酸磷酸将磷酰基转给ADP形成了磷酸甘油酸和ATP。催化这个反应的酶是磷酸甘油酸激酶，反应时需Mg2+。

3—磷酸甘油醛氧化产生的高能中间物最后转化成3—磷酸甘油酸并产生ATP，这是酵解过程中第一次产生ATP的反应，也是底物水平的磷酸化反应。因为一分子葡萄糖产生2分子三碳糖，因此共产生2分子ATP，这样就抵消了葡萄糖在磷酸化过程中消耗的2分子ATP。

第31页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三8、3—磷酸甘油酸转变成2－磷酸甘油酸。磷酸甘油酸变位酶催化磷酰基从3—磷酸甘油酸的C3移至C2。凡是催化分子内化学功能基团的位置移动的酶都称为变位酶。Mg2+在催化反应中是必须的。

哺乳动物中至少有二种磷酸甘油酸变位酶，它的分子量是65700。其一存在于成人肌肉中，对Hg高度敏感；另一存在于胎儿肌肉中，对Hg不敏感。成年人的心和骨骼中则是二者的混合物。第32页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三9、2—磷酸甘油酸脱水形成磷酸烯醇式丙酮酸。反应在有Mg2+或Mn2+存在下，经烯醇化酶催化。

这是一个可逆反应，反应的自由能变化很小，但是分子内能重新分布的变化很大。2—磷酸甘油酸的磷酯键是—个低能键，其水解的标准自由能变化是一17.6千焦耳／摩尔(一4.2千卡/摩尔)，磷酸烯醇式丙酮酸中的磷酰烯醇键是高能键，其水解的标准自由能的变化为一62.1千焦耳/摩尔(一14.8千卡／摩尔)，因此这一步反应显著地提高了磷酰基的转移势能。第33页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三10、磷酸烯醇式丙酮酸将磷酰基转移给ADP形成ATP和丙酮酸。这又是一个底物水平的磷酸化反应，经丙酮酸激酶催化，将磷酸烯醇式丙酮酸上的高能磷酸键移到ADP上，从而形成ATP和烯醇式丙酮酸，反应基本上是不可逆，反应需K＋，Mg2＋或Mn2＋参加。第34页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

在PH7.0时烯醇式丙酮酸分子迅速重排形成丙酮酸，这一反应不需要酶的参加，因为反应平衡点大大倾向于向右进行，遵循质量作用定律推动反应向右进行。

现已得到丙酮酸激酶，分子量是250000，是由55000的亚基组成的四聚体。它有几种同功酶，在肝中L型占优势，肌肉和脑中M型占优势，其他组织是A型。这些同功酶结构相似，但调控机制不同。丙酮酸激酶是一个别构酶，酵解途径中的重要调节酶。长链脂肪酸，乙酰CoA，ATP和丙氨酸能抑制该酶活性。1，6－二磷酸果糖活化此酶。第35页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三四、酵解过程ATP的合成一分子葡萄糖降解成2分子丙酮酸，消耗2分子ATP，产生4分子ATP，因此净得2分子ATP。葡萄糖酵解的总反应式为：第36页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三第37页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三六、丙酮酸的去路所有有机体从葡萄糖酵解到丙酮酸的途径是十分的相似，而丙酮酸以后的途径却各不相同。1、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，最后氧化成CO2和H2O。第38页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三2、生成乳酸：在厌氧酵解时，例如某些厌氧乳酸菌或肌肉由于剧烈运动而造成暂时缺氧状态，或出于呼吸、循环系统机能障碍暂时供氧不足时，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。从葡萄糖酵解成乳酸的总反应式为：第39页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三3、生成乙醇：在酵母菌或其他微生物中，丙酮酸可经丙酮酸脱羧酶催化，以焦磷酸硫胺素为辅酶，脱羧变成乙醛，继而在醇脱氢酶的催化下，由NADH还原形成乙醇。第40页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

乙醇脱氢酶含有Zn2+，它与酶的两个半胺氨酸的硫原子和组氨酸上的氮原子螯合，其催化机制如下：第41页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三EMP的讨论（以G为底物）

1、细胞定位：细胞质总反应式：C6H12O6+2NAD++2ADP→2C3H4O3+2NADH+2H++2ATP2、EMP反应中大部分可逆，只有已糖激酶（1），磷酸已糖激酶（3），丙酮酸激酶（10）催化的反应不可逆，这三个反应称限速反应，三种酶称限速酶。3、EMP中ATP的计量

反应ATP的变化1）G→G-6-P-13）F-6-P→FDP-17）1,3-二磷酸甘油酸→

3-磷酸甘油酸+210）PEP→丙酮酸+2

净变化+2第42页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三七、EMP的生理意义

(1)在缺氧情况下快速释放能量，使机体仍能进行生命活动，这对肌肉收缩更为重要．(2)成熟的红细胞没有线粒体，完全依赖糖酵解提供能量．(3)神经、白细胞、骨髓等代谢极为活跃，即使不缺氧也常由糖酵解提供部分能量．(4)酵解过程的中间产物可为机体其它生物合成提供碳架。第43页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三八、糖酵解的调节糖酵解途径的中三个不可逆反应分别为：己糖激酶磷酸果糖激酶糖酵解途径的调节酶丙酮酸激酶第44页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三1、己糖激酶对糖酵解的调节(1)己糖激酶为变构酶，受其产物葡萄糖-6-磷酸的强烈抑制；葡萄糖激酶分子内不存在葡萄糖-6-磷酸的变构部位，故不受葡萄糖-6-磷酸的影响。(2)长链脂酰CoA对其有变构抑制作用，在饥饿时减少肝和其他组织摄取葡萄糖有一定意义．(3)胰岛素可诱导葡萄糖激酶基因的转录，促进酶的合成．第45页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三2、磷酸果糖激酶-Ⅰ是控制糖酵解的关键酶（限速酶）(1)变构调节①6-磷酸果糖激酶-Ⅰ是一四聚体，受多种变构调节剂的影响．②ATP和柠檬酸是6-磷酸果糖激酶-Ⅰ的变构抑制剂．③6-磷酸果糖激酶-Ⅰ的变构激活剂有AMP，ADP，2,6-二磷酸果糖．第46页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三④1,6-二磷酸果糖是6-磷酸果糖激酶-Ⅰ的反应产物，这中产物正反馈作用是比较少见的，它有利于糖的分解．⑤果糖-2，6-二磷酸是6-磷酸果糖激酶-Ⅰ最强的的变构激活剂．⑥果糖-2，6-二磷酸由6-磷酸果糖激酶-Ⅱ催化6-磷酸果糖C2磷酸化而成．⑦

6-磷酸果糖激酶-Ⅱ实际上是一种双功能酶，在酶蛋白中具有两个分开的催化中心，故同时具有6-磷酸果糖激酶-Ⅱ和果糖双磷酸酶-Ⅱ两种活性．第47页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三3、丙酮酸激酶对糖酵解的调节(1)果糖-1,6-二磷酸是丙酮酸激酶的变构激活剂，而长链脂肪酸、乙酰CoA、ATP则有抑制作用．(2)在肝内丙氨酸也有变构抑制作用．(3)共价修饰方式调节①依赖cAMP的蛋白激酶和依赖Ca2+、钙调蛋白的蛋白激酶均可使其磷酸化而失活．②胰高血糖素可通过cAMP抑制丙酮酸激酶的活性．第48页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三(1)当能量消耗多，细胞内ATP/AMP比值降低时，6-磷酸果糖激酶-Ⅰ和丙酮酸激酶均被激活，加速葡糖的分解．反之,细胞内ATP的储备丰富时，通过糖酵解分解的葡萄糖就少．(2)正常进食时，肝亦仅氧化少量葡萄糖，主要由氧化脂肪获得能量．(3)进食后，胰高血糖素分泌减少，胰岛素分泌增加，果糖-2，6-二磷酸的合成增加，加速糖循糖酵解途径分解，主要是生成乙酰CoA以合成脂肪酸．(4)饥饿时，胰高血糖素分泌增加，抑制了果糖-2，6-二磷酸的合成和丙酮酸激酶的活性，即抑制糖酵解，这样才能有效地进行糖异生，维持血糖的水平．4、共同调节第49页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三第三节糖的需氧分解

一、丙酮酸氧化脱羧成CH3COCoA

1、总反应式：丙酮酸脱氢酶系CH3COCOO-+HS-CoA+NAD+

TPP、FAD、硫辛酸CH3CO-SCoA+CO2+NADH+H+第50页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三葡萄糖有氧氧化的概况O2O2O2H2OH++eCO2乙酰CoA丙酮酸丙酮酸6-磷酸葡萄糖葡萄糖葡萄糖线粒体胞液（第一阶段）（第二、三阶段）第51页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三2、丙酮酸脱氢酶系组成与装配1）

三种酶：

a)丙酮酸脱羧酶（E1）

b)硫辛酸乙酰转移酶（E2）

c)二氢硫辛酸脱氢酶（E3）

若干调控酶（对丙酮酸氧化脱羧起调控作用）2）若干辅助因子：TPP、硫辛酸、CoA-SH、NAD+、FAD、Mg2+等。第52页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三大肠杆菌中的丙酮酸脱氢酶复合物为圆球状多面体，由3种酶60条多肽链和6种辅因子组成;X-射线研究表明，有8个硫辛酸转乙酰酶的三聚体组合在一起，形成中空的方型结构，其他两种酶与这个核心结合，成为一体。第53页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三3、丙酮酸氧化脱羧的机理丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP-E1;由二氢硫辛酰胺转乙酰酶（E2）催化使羟乙基-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-E2；二氢硫辛酰胺转乙酰酶（E2）还催化乙酰硫辛酰胺的乙酰基转移给CoA生成乙酰CoA，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个巯基；二氢硫辛酰胺脱氢酶（E3）使还原的二氢硫辛酰胺脱氢重新生成硫辛酰胺，以进行下一轮反应．同时将氢传递给FAD，生成FADH2；在二氢硫辛酰胺脱氢酶（E3）催化下，将FADH2上的H转移给NAD+,形成NADH+H+.第54页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三第55页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三4、丙酮酸脱氢酶系的调控（1）产物控制即由NADH和乙酰-CoA控制。这两种产物表现的抑制作用是和酶的作用底物NAD+和CoA竞争酶的活性部位，是竞争性抑制。乙酰-CoA抑制E2，NADH抑制E3。（2）核苷酸反馈调节：酶体系的活性由细胞的能荷所控制。特别是丙酮酸脱羧酶E1组分受GTP抑制，为AMP所活化。当细胞内富有立即可利用的能量时，丙酮酸脱氢酶体系活性降低。（3）磷酸化和去磷酸化的调控

E1的磷酸化和去磷酸化是使丙酮酸脱氢酶复合体失活和激活的重要方式。在处于丙酮酸脱氢酶复合体核心位置的E2分子上结合着两种特殊的酶，一种称为激酶，另一种称为磷酸酶。激酶使丙酮酸脱羧酶组分磷酸化，磷酸酶则是脱去丙酮酸脱氢酶的磷酸基团，从而使之活化。Ca2+通过激活磷酸酶的作用，也使丙酮酸脱氢酶活化。第56页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三二、三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle，TCA）

TCA循环：指从乙酰CoA与OAA缩合成柠檬酸，再经一系列氧化、脱羧，重新产生OAA的循环过程，乙酰基则在循环中氧化成CO2放出。（脱羧）

Krebs循环1937年由德国科学家HansKrebs提出，1953年获诺贝尔奖。第57页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三柠檬酸循环的发现历史

1937年HansKrebs提出柠檬酸循环的反应机制,其主要的依据有:Krebs于1932年发现乙酸，琥珀酸，延胡索酸，苹果酸，柠檬酸，草酰乙酸可以促进组织匀浆或切片的氧化作用；AlbertSzent-Gyoryi发现少量的四碳二羧酸可以加快糖类氧化反应的速度，提出可能存在一个酶促的系列反应。他还发现了丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用；CarlMartius和FranzKnoop发现柠檬酸可以转化为图示的其他有机酸；Krebs发现草酰乙酸可以和活性乙酸反应生成柠檬酸，在反映体系中过量加入其中的任意一种有机酸可以很快转化为其他的有机酸，因而提出反应体系构成一个循环。第58页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

大多数动、植物和微生物，在有氧的情况下将酵解产生的丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoA。乙酰CoA经一系列氧化、脱羧，最终生成CO2和H2O，并产生能量的过程称三羧酸循环又称柠檬酸循环，简写为TCA循环，因为它是由H.A.Krebs正式提出的，所以又称Krebs循环。(一)、三羧酸循环是环状酶促反应途径的发现1．早期工作：1920年Thunberg，1932年H.Krebs，1935年AlbertSzeut－Gyorgyi发现在肌肉糜中加入柠檬酸和四碳二羧酸如琥珀酸，延胡索酸，苹果酸，草酰乙酸可刺激氧的消耗。1937年CarlMartins和FranzKnoop阐明了从柠檬酸经顺乌头酸、异柠檬酸、α—酮戊二酸到琥珀酸的氧化途径。第59页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

2．1937年Krebs证实了六碳三羧酸(柠檬酸、顺乌头酸、异柠檬酸)和α—酮戊二酸，及四碳二羧酸(琥珀酸、延胡索酸、苹果酸、草酰乙酸)强烈刺激肌肉中丙酮酸氧化的活性，其他天然存在的有机酸都没有上述几种酸活性强。3．Krebs发现丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂，即使在肌肉悬浮液中加入上述活性有机酸，也还有抑制效应，说明此酶催化的反应在丙酮酸氧化途径中起着重要的作用。在其抑制的肌肉糜悬浮液中有柠檬酸、α－酮戊二酸和琥珀酸的积累，证明没有丙二酸时，上述物质转化成琥珀酸。通过总结前人的经验及上述一系列实验，Krebs1937年提出了三羧酸循环。后来发现，这一途径在动、植物，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、蛋白质分解代调的最终途径，具有重要的生理意义。为此1953年Krebs获得诺贝尔奖，并被称为ATP循环之父。第60页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三三羧酸循环草酰乙酸柠檬酸异柠檬酸a-酮戊二酸琥珀酸辅酶A琥珀酸延胡索酸苹果酸乙酰辅酶A第61页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

三羧酸循环共有8步，见图：第62页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三1．乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合形成柠檬酸。这是循环的起始步骤，由柠檬酸合成酶或称柠檬酸缩合酶催化乙酰CoA的甲基移去质子形成负碳离子亲核攻击草酰乙酸的酮基碳缩合生成柠檬酰辅酶A，然后高能硫酯键水解推动总反应进行，生成柠檬酸：第63页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

哺乳类动物中柠檬酸合成酶由2个49000亚基组成。X射线晶体图谱表明此酶在催化反应时与底物结合会产生很大的构象变化。酶先与草酰乙酸结合导致酶结构重排成关闭型，创造了与乙酰CoA的结合位点，使两个底物接近通过调整键的极性使其缩合。合酶上的两个组氨酸残基起着重要的作用。其中一个与草酰乙酸羰基氧原子作用使其易受攻击，另一个组氨酸残基促进乙酰CoA的甲基碳上的质子离开，形成烯醇离子，就可以与草酰乙酸缩合成C—C键。第64页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

此酶是一个调控酶、体外实验表明，酶的活性受ATP、NADH、琥珀酰CoA和长链脂肪酰CoA抑制。体内也许不完全如此，但是这个三羧酸循环途径的第一步是一个可调控的限速步骤。氟乙酸CoA可与柠檬酸合酶反应形成氟柠檬酸，因为它可抑制下一步反应的酶，因此称这反应为致死合成。但可以利用这一特性合成杀虫剂或灭鼠药。第65页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三2．柠檬酸异构化生成异柠檬酸。柠檬酸由顺乌头酸酶催化，脱水，然后又加水，从而改变分子内OH—和H＋的位置，生成异柠檬酸。催化这两步反应的是同一酶，由于其中间产物为顺乌头酸，故此得名。其标准自由能变化ΔG0’相应的为十8.4千焦耳／摩尔，一2.1千焦耳／摩尔，由于异柠檬酸不断消失，推动反应进行。

顺乌头酸酶是个相当复杂的酶，其中含有由4个铁原子、4个无机硫原子及4个半胱氨酸硫原子结合的铁硫中心簇参与底物的去水和加水反应。这个酶是含铁的非铁卟啉蛋白。第66页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三3．异柠檬酸氧化脱羧生成α—酮戊二酸。这是三羧酸循环中第一次氧化作用，被异柠檬酸脱氢酶所催化。反应的中间物是草酰琥珀酸，它是一个不稳定的β—酮酸，当与酶结合则脱羧形成α—酮戊二酸。第67页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

线粒体内含有二种异柠檬酸脱氢酶，一种是以NAD＋为电子受体，另—种是以NADP＋为受体。前者仅在线粒体内，后者也在细胞质中存在。需NAD＋异柠檬酸脱氢酶被Mg2＋、Mn2＋活化，它是一个别构酶，正调控物是ADP，ADP可增加酶和底物的亲和力。当缺乏ADP时就失去活性。NAD＋、Mg2＋和ADP有协同作用。NADH和ATP可以抑制酶活性。总之，细胞在具有高能状态时即ATP／ADP，NADH／NAD＋比值高时酶活性被抑制。在低能状态时被激活。异柠檬酸脱氢酶是三羧酸循环中第二个调节酶。第68页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三4．α—酮戊二酸氧化脱羧成为琥珀酰辅酶A。这是三羧酸循环中第二个氧化脱羧反应，是由α—酮戊二酸脱氢酶系所催化的。第69页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

α—酮戊二酸脱氢酶体系与丙酮酸脱氢酶体系相似，由三个酶即α—酮戊二酸脱羧酶E1，硫辛酸琥珀酰转移酶E2和二氢硫辛酸脱氢酶E3组成。也需要TPP，硫辛酸，CoA，FAD和NAD＋，Mg2＋6种辅助因子。琥珀酰转移酶处于核心位置，其氧化脱羧机制也类似。其E1和E2与丙酮酸脱氢酶中相应的脱羧及酰基转移酶不同，但二氢硫辛酸脱氢酶是相同的。此酶也是一个调节酶，受其产物NADH、琥珀酰CoA和Ca2＋抑制，细胞高能荷时，ATP、GTP也可反馈抑制酶的活性。

第70页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三5．琥珀酰CoA转化成琥珀酸，并产生GTP。这是三羧酸循环中唯一底物水平磷酸化直接产生高能磷酸键的步骤。由琥珀酸硫激酶催化。第71页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

琥珀酰CoA硫酯键水解的ΔG0’＝一33.6千焦耳／摩尔，它是一个高能硫酯键，因此它可以在琥珀酰CoA合成酶的催化下，使二磷酸鸟苷(GDP)磷酸化成三磷酸鸟苷（GTP）。

GTP可以用于蛋白质合成，也可以在二磷酸核苷激酶的催化下将磷酰基转给ADP生成ATP。第72页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三6．琥珀酸脱氢生成延胡索酸。这是三羧酸循环中第三步氧化还原反应，由琥珀酸脱氢酶催化，氢的受体是酶的辅基FAD，因为反应自由能变化不足以还原NAD＋。

FAD是通过异咯嗪环上的第7位碳上的甲基与蛋白质中的组氨酸残基上的咪唑环氮3位置相连接。第73页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

琥珀酸脱氢酶是三羧酸循环中唯一掺入线粒体内膜的酶，心肌线粒体内膜提纯的酶分子量是100000，由70000和29000两个亚基组成。琥珀酸脱氢酶直接与呼吸链联系。琥珀酸脱氢产生的FADH2可以转移到酶的铁硫中心，然后进入呼吸链。琥珀酸脱氢酶中会有三种不同的铁硫簇；2Fe—2S(二个铁原子与二个无机硫结合)，3Fe—4S和4Fe—4S。所形成的延胡索酸是反丁烯二酸，而不是顺丁烯二酸(马来酸)，后者不能参加代谢，对有机体有毒性。

丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。第74页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三7．延胡索酸被水化生成苹果酸。延胡索酸酶催化这个水化反应，用标记氚的实验证明H＋和OH—以反式加成，酶具有立体异构特异性，OH只加入延胡索酸双键的一侧，因此只形成L－型苹果酸。

从猪心获得此酶的结晶，分子量为200000由4个相同亚基组成，各含3个自由巯基为酶的活性所必需。第75页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三8．苹果酸脱氢生成草酰乙酸。这是三羧酸循环中第4次氧化还原反应，也是最后一步。反应由L－苹果酸脱氢酶所催化，NAD＋是氢的受体。

在标准热力学条件下，平衡有利于逆反应。但是在生理情况下，反应产物草酰乙酸不断因合成柠檬酸而移去，使其在细胞中浓度极低，约少于10—6mol/L，使反应向右进行。第76页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三三．三羧酸循环所生成的ATP

乙酰CoA进入三羧酸循环，每一次循环由琥珀酰CoA合成酶催化的反应通过GTP产生一个ATP分子。共有4个脱氢步骤，其中有3对电子经NADH转递给线粒体的膜嵴上的电子传递链，最后递给氧生成水，每对电子产生2.5分子ATP，3对电子共产生7.5分子ATP，有一对电子经FADH2转递至电子传递链，可以产生1.5分子ATP。

因此每一次循环共产生7.5十1.5十1＝10分子ATP。若从丙酮酸脱氢开始计算，共产生12.5分子ATP。每分子葡萄糖可以产生2分子丙酮酸，因此每分子葡萄糖经酵解，三羧酸循环及氧化磷酸化3个阶段共产生：

5或7十2X12.5＝30—32个ATP分子。第77页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三线粒体外NADH的氧化磷酸化作用

磷酸甘油穿梭系统

苹果酸—天冬氨酸穿梭系统

酵解（细胞质）氧化磷酸化

（线粒体）第78页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三第79页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三-磷酸甘油穿梭（线粒体基质）磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油FADFADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2NADHNAD+线粒体内膜（细胞液）第80页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三第81页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三苹果酸穿梭作用细胞液线粒体内膜体天冬氨酸-酮戊二酸苹果酸草酰乙酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸苹果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+线粒体基质苹果酸脱氢酶NADH+H+ⅣⅠⅡⅢ苹果酸脱氢酶谷草转氨酶谷草转氨酶（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为膜上的转运载体）呼吸链第82页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三四、TCA循环的生物学意义1、三羧酸循环是体内产生CO2和能量的主要机制之一。

1）G有氧分解中，每个G通过TCA环可得25个ATP，远远超过EMP或G无氧降解所产生ATP的数目。

2）脂肪、氨基酸等有机物作为呼吸底物分解，彻底氧化时所产生的能量也主要通过TCA循环。第83页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三2、三羧酸循环是糖、脂、某些氨基酸代谢联系和互变的枢纽。（1）TCA是糖、脂肪、氨基酸等彻底分解的共同途径。（2）TCA中产生的OAA、α-酮戊二酸、柠檬酸、琥珀酰CoA和延胡索酸又是合成糖、氨基酸、脂肪酸、卟啉等的原料，因此能将各种有机物代谢联系起来，起到物质代谢的枢纽作用。第84页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三3、三羧酸循环是糖、脂、蛋白质三大物质最终氧化的共同途径。

4、获得微生物发酵产品的途径柠檬酸、谷氨酸第85页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三五、三羧酸循环的调控

调节三羧酸循环速度的关键酶：柠檬酸合酶；异柠檬酸脱氢酶；α-酮戊二酸脱氢酶。

三羧酸循环中的酶的活性主要靠底物提供的情况推动，并受其生成产物的抑制，同时还受到变构效应物的调节。第86页，讲稿共100页，2023年5月2日，星期三

柠檬酸合酶——柠檬酸和琥珀酰CoA分别是柠檬酸合酶的底物草酰乙酸和乙酰CoA的竞争性抑制剂，二者浓度的增加，抑制柠檬酸合酶的活性，另外，该酶还受到NADH的抑制。异柠檬酸脱氢酶（别构酶）——ADP是别构激活剂，异柠檬酸、NAD+等对酶