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第四章糖代谢生物化学糖在动物体的一般概况糖的分解供能磷酸戊糖途径葡萄糖的异生作用糖原糖代谢各途径之间的联系教学内容第一节糖在动物体内的

一般概况糖的生理功能糖代谢概况教学内容一、糖类的重要的生物学功能

供给能量:糖的主要功能是供给能量,人体所需能量的70%以上是由糖氧化分解供应的。1克葡萄糖在体内完全氧化分解,可释放能量1.67×104焦耳。供给碳源:糖分解过程中形成的中间产物可以提供合成脂类和蛋白质等物质所需要的碳架。构成组织细胞的重要组成成分:如核糖和脱氧核糖是细胞中核酸的成分;糖与脂类形成的糖脂是组成神经组织与细胞膜的重要成分;糖与蛋白质结合的糖蛋白,具有多种复杂的功能。二、糖代谢概况

动物体内糖的来源:动物体内糖的主要代谢途径:由消化道吸收:主要是饲料中的淀粉及少量蔗糖、乳糖和麦芽糖等。在消化道转化为葡萄糖等单糖被吸收。由非糖物质转化而来:动物体可以由非糖物质合成糖,称为糖的异生作用。

消化管中的葡萄糖由小肠吸收,首先经门静脉进入肝脏,再通过肝静脉进入血液循环,将糖送到各组织细胞,供全身利用。葡萄糖在细胞内主要分解供能,多余的葡萄糖在肝脏和肌肉合成糖原暂时贮存;或转变成脂肪、某些氨基酸等物质。过多的葡萄糖当超过肾糖阂值时,则由尿排除。血糖:血液中所含的糖,除微量半乳糖、果糖及其磷酸酯外,几乎全部是葡萄糖及少量葡萄糖磷酸酯。因此,血糖主要是指血液中所含的葡萄糖,分布于红细胞和血浆中。每种动物的血糖含量各不相同,如正常人空腹血浆葡萄糖糖浓度为100~120mg%或3.9~6.1mmol/L(葡萄糖氧化酶法)。但对每种动物而言血糖浓度是恒定的。血糖浓度的相对恒定,是在神经、激素和肝脏组织器官的调节下,使其糖的来源和去路互相平衡而达到的。第二节糖的分解供能糖酵解丙酮酸形成乙酰辅酶A柠檬酸循环葡萄糖完全氧化产生的ATP教学内容

糖酵解即糖的发酵分解,是指糖原或葡萄糖在无氧条件下被分解生成乳酸并产生ATP的一系列反应。一、糖酵解L.PasteuE.BuchnerA.Harden酵解的化学过程

酵解是一个复杂的反应过程,这个过程从糖原或葡萄糖开始,分别包括12~13步化学反应,每一步反应都有相应的酶来催化,有些反应还需要相应的辅助因子。为了叙述方便,划分成四个阶段:已糖磷酸酯生成丙糖磷酸生成丙酮酸生成丙酮酸还原成乳酸第一阶段:已糖磷酸酯生成(活化):

在这个阶段,葡萄糖或糖原经磷酸化转化成果糖1,6-二磷酸,为分解成两分子的丙糖作准备。(1)葡萄糖磷酸化形成6-磷酸葡萄糖。催化反应的酶是已糖激酶。

已糖激酶催化葡萄糖生成6-P-葡萄糖,是一个释放大量自由能的不可逆反应,葡萄糖激酶是酵解过程中第一个调节酶。糖原(Gn)H3PO4磷酸化酶

糖原(Gn-1)1-磷酸葡萄糖(glucose-1-phosphate)磷酸葡萄糖变位酶6-磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphate)(1)糖原分解生成6-磷酸葡萄糖(2)6-磷酸葡萄糖转化成6-磷酸果糖(6-P-F)。

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C1移至C2,为C1磷酸化作了准备。反应中间物是酶结合的烯醇化合物。(3)F-6-P磷酸化生成1,6-二磷酸果糖(F-1,6-2P),催化此反应的酶为果糖激酶。

磷酸果糖激酶是一个典型的别构酶。此酶所催化的反应是一个不可逆的放能反应。这一步反应是酵解中的关键反应步骤,糖酵解的整修过程进行的速度受到此酶的限制。因此,称为限速酶。丙糖磷酸生成(裂解):

在此阶段,果糖-1,6-二磷酸裂解成两个分子的磷酸丙糖。果糖-1,6-二磷酸裂解成甘油醛-3-磷酸和二羟丙酮磷酸,催化此反应的酶为醛缩酶醛缩酶催化的反应是可逆反应,在标准状态下,平衡倾向于醇醛缩合成果糖-1,6-二磷酸一侧。但在细胞内,由于正反应产物丙糖磷酸被移走,平衡可向正反应迅速进行二羟丙酮磷酸与甘油醛-3-磷酸的相互转化。在磷酸丙糖中,只有甘油醛-3-磷酸能继续进入酵解途径。二羟丙酮磷酸则不能,但是它可以在磷酸丙糖异构酶的催化下迅速转化成甘油醛-3-磷酸。这样,由一个分子的FDP便可形成2分子的甘油醛-3-P。丙酮酸生成(氧化,转能)

此阶段是糖酵解中氧化并产生能量的阶段,有两步直接产生能量的反应,释放的能量可由ADP转变成ATP贮存。甘油醛-3-磷酸氧化成甘油酸-1,3-二磷酸,由甘油醛磷酸脱氢酶催化。

甘油醛-3-磷酸的氧化是酵解过程中首次遇到的氧化作用,反应中同时进行脱氢和磷酸化反应,并引起分子内部能量重新分配,生成高能磷酸化合物甘油醛-3-磷酸脱氢酶的作用机理:甘油醛-3-磷酸脱氢酶由4个相同亚基组成,每个亚基牢固地结合一个分子的NAD+,并能独立参与催化作用。亚基中第149位的半胱氨酸残基的-SH是活性基团,NAD+的吡啶环与活性-SH基很近,共同组成酶的活性部位。甘油酸-1,3-二磷酸将磷酰基转给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。甘油醛-3-磷酸氧化产生的高能中间物最后转化成甘油酸-3-磷酸并产生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。甘油酸-3-磷酸转变成甘油酸-2-磷酸,催化此反应的酶为磷酸甘油酸变位酶。甘油酸变位酶的催化机理与葡萄糖变位酶相似。甘油酸-2-磷酸脱水形成烯醇式丙酮酸磷酸。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。甘油酸-2-磷酸中的磷酯键是一个低能键,其水解的标准自由能变化是-17.6千焦耳/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-62.1千焦耳/摩尔,因此这一步反应显著地提高了磷酰基的转移势能。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产生能量的反应,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。丙酮酸的去路从葡萄糖到丙酮酸的酵解过程,在生物界都是极其相似的。丙酮酸以后的途径却随着机体所处的条件和发生在什么样的生物体中各不相同。在有氧条件下丙酮酸的转变先不做讨论,此处仅讨论在无氧条件下,丙酮酸的去路。生成乳酸生成乙醇丙酮酸的去路

从葡萄糖到丙酮酸的酵解过程,在生物界都是极其相似的。丙酮酸以后的途径却随着机体所处的条件和发生在什么样的生物体中各不相同。在有氧条件下丙酮酸的转变先不做讨论,此处仅讨论在无氧条件下,丙酮酸的去路。生成乳酸生成乙醇生成乳酸: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,或由于呼吸、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H酶形成的NADH上的氢,在乳酸脱氢酶催化下,形成乳酸。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的催化,以焦磷酸硫胺素(TPP+)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。2×丙酮酸2×烯醇式丙酮酸2×ADP2×ATP2×乳酸6-磷酸果糖1,6-二磷酸果糖ADPATP2×1,3-二磷酸甘油酸

磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛2×Pi2×NADH+2H+2×NAD+2×3-磷酸甘油酸2×ADP2×ATP2×2-磷酸甘油酸2×磷酸烯醇式丙酮酸2×H2O糖原(Gn)

6-磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖PiGn-1葡萄糖糖酵解总反应酵解的能量计算

在糖酵解过程的起始阶段消耗2分子ATP,形成1,6-二磷酸果糖,以后在1,3-二磷酸甘油酸及磷酸烯醇式丙酮酸反应中各生成2分子ATP。

化学反应ATP葡萄糖→6-磷酸葡萄糖-16-磷酸果糖→1,6-二磷酸果糖-11,3-二磷酸甘油酸→3-磷酸甘油酸+2磷酸烯醇式丙酮酸→丙酮酸+2糖酵解中ATP的消耗和产生

糖酵解中能量利用的效率:1mol葡萄糖在体外分解生成2mol乳酸:葡萄糖2乳酸△G0’=-196kJ/mol糖原(葡萄糖)2乳酸△G0’=-183kJ/mol由于ATP水解为ADP与H3PO4时、△G0’=-30.514kJ/mol,生成2molATP相当于捕获61.028kJ。酵解的调控在糖酵解酶系中,除了已糖激酶、6-磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶所催化的为不可逆的反应外,其余都是可逆的。故上述三个酶反应为影响酵解进行的关键反应。其中磷酸果糖激酶酵解过程最关键的限速酶。

酶的名称变构抑制剂变构激活剂

已糖激酶G-6-P

Mg2+,Mn2+磷酸果糖激酶ATP,柠檬酸,H+

Mg2+,

AMP,ADP

丙酮酸激酶ATP,丙氨酸,乙酰CoAMg2+,F-1,6-2P糖酵解的意义糖酵解是存在一切生物体内糖分解代谢的普遍途径。通过糖酵解使葡萄糖降解生成ATP,为生命活动提供部分能量,尤其对厌氧生物是获得能量的主要方式。糖酵解途径的许多中间产物可作为合成其他物质的原料(提供碳骨架),如磷酸二羟丙酮,甘油等。二、丙酮酸形成乙酰辅酶A有氧氧化与无氧酵解化学过程

糖酵解过程中产生的丙酮酸在有O2的情况下,可线粒体膜上的有丙酮酸脱氢酶系的催化下,不可逆地氧化、脱羧,并与辅酶A结合生成乙酰CoA。E.coli丙酮酸脱氢酶:

E.coli丙酮酸脱氢酶是多酶复合体,由丙酮酸脱氢酶组分(E1),二氢硫辛酸转乙酰酶(E2)和二氢硫辛酸脱氢酶(E3)组成,参与反应的辅酶有TPP+、硫辛酸、FAD、NAD+及CoA。丙酮酸脱氢酶多酶复合体中的三种酶以转乙酰酶的多肽链为核心形成一个有序的整体,这种在结构上的整体性使得一套复杂的反应在酶相互协调的催化下得以高效地进行。酶缩写辅基所催化的反应丙酮酸脱氢酶组分二氢硫辛酸转乙酰酶二氢硫辛酸脱氢酶A或E1B或E2C或E3TPP硫辛酸FAD丙酮酸脱羧C2单位的氧化并转移给CoA氧化型硫辛酰胺的再生E.coli丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体

丙酮酸氧化脱羧所生成的乙酰辅酶A的乙酰基部分在线粒体中是通过一个循环,在有氧条件下被彻底氧化为CO2和H2O的。这个循环称为柠檬酸循环。它不仅是糖的有氧分解代谢的途径,也是机体内一切有机物的碳链骨架氧化成CO2的必经途径。柠檬酸循环反应开始于乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成的含有三个羧基的柠檬酸,故称之为柠檬酸循环,也称为三羧酸循环。这一学说是在l937年由英国科学家Krebs(克雷布斯)正式提出,故又称为Krebs循环。三、柠檬酸循环柠檬酸循环的化学过程柠檬酸循环是由乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸开始,经过一系列脱H、脱羧,又回到草酰乙酸的过程。乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成柠檬酸柠檬酸异构化生成异柠檬酸异柠檬酸氧化与脱羧生成α-酮戊二酸α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA琥珀酰CoA转化成琥珀酸,并产生ATP

琥珀酸被氧化成延胡索酸延胡索酸水化生成苹果酸草酰乙酸再生乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合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与草酰乙酸缩合,然后水解,生成柠檬酸。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,然后加水,从而改变分子内-OH、-H的位置,生成异柠檬酸。催化这两步反应的是同一种酶,由于其中间产物是顺乌头酸,故此得名。由于异柠檬酸不断消失,推动反应进行。异柠檬酸氧化与脱羧生成α-酮戊二酸

这是循环中的第一次氧化作用,被异柠檬酸脱氢酶的催化下。反应的中间产物是草酰琥珀酸,它是一个不稳定的β-酮酸,当与酶结合则脱羧生成α-酮戊二酸。

异柠檬酸脱氢酶是柠檬酸循环中的第二个调节酶。α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA

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。

琥珀酰CoA转化成琥珀酸,并产生ATP

在琥珀酸硫激酶的作用下,琥珀酰CoA的硫酯键水解,释放的自由能用于合成GTP,琥珀酰CoA生成琥珀酸和辅酶A。琥珀酸被氧化成延胡索酸

这是三羧酸循环中第三步氧化还原反应,由琥珀酸脱H酶催化,氢的受体是酶的辅基FAD。延胡索酸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)则无催化作用,因而是高度立体特异性的。草酰乙酸再生在苹果酸脱氢酶作用下,苹果酸仲醇基脱氢氧化成羰基,生成草酰乙酸,NAD+是脱氢酶的辅酶,接受氢成为NADH+H+。

至此,所生成的草酰乙酸为下一轮的三羧酸循环又准备了反应底物,可与另一分子的乙酰CoA反应而启动下一轮反应。三羧酸循环的全过程

柠檬酸循环的特点:CO2的生成,循环中有两次脱羧反应,两次都同时有脱氢作用,同属于氧化脱羧,但作用的机理不同,柠檬酸循环的四次脱氢,其中三对氢原子以NAD+为受氢体,一对以FAD为受氢体。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。柠檬酸循环中消耗了两个水分子,一个用于柠檬酸的生成,另一个用于延胡索酸的水合作用。柠檬酸循环的中间产物,从理论上讲,可以循环不消耗,但是由于循环中的某些组成成分还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,所以说柠檬酸循环组成成分处于不断更新之中。三羧酸循环中的两次脱羧反应三羧酸循环中的两次脱羧反应比较三羧酸循环中的四次脱氢反应柠檬酸循环的生物学意义:柠檬酸循环途径是生物界中,包括动物、植物及微生物都普遍存在的代谢途径。柠檬酸循环是机体利用糖或其他物质氧化而获得能量的最有效方式。柠檬酸循环称为两用代谢途径,它是糖、脂和蛋白质三大类营养物质代谢与转化的枢纽。一方面此循环的中间产物如草酰乙酸、α-酮戊二酸、丙酮酸、乙酰CoA等是合成糖、氨基酸、脂肪等的原料。另一方面该循环是糖、蛋白质和脂肪彻底氧化分解的共同途径。三羧酸循环中脱氢和能量的产生糖与氨基酸、脂肪代谢的联系返回柠檬酸循环的调控:柠檬酸合酶:是三羧酸循环途径的关键限速酶,该酶催化乙酰CoA和草酰乙酸生成柠檬酸,是三羧酸循环途径的第一步。其活性受ATP、NADH、琥珀酰-CoA抑制,草酰乙酸和乙酰-CoA能提高酶活性。异柠檬酸脱氢酶:此酶催化异柠檬酸氧化成α-酮戊二酸。ATP、琥珀酸-CoA和NADH抑制此酶的活性;而ADP是该酶的变构激活剂。α-酮戊二酸脱氢酶系:该酶催化α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA。其活性受ATP及其琥珀酰-CoA、NADH的抑制。反应阶段反应过程ATP数酵解葡萄糖→6-P-葡萄糖6-P-葡萄糖→1,6-BP-果糖3-P-甘油醛→1,3-BP-甘油酸1,3-BP-甘油酸→3-P-甘油酸P-烯醇式丙酮酸→烯醇式丙酮酸-1-12×2(3)2×12×1丙酮酸氧化脱羧丙酮酸→乙酰SCoA2×3三羧酸循环异柠檬酸→α-酮戊二酸α-酮戊二酸→琥珀酰CoA琥珀酰CoA→琥珀酸琥珀酸→延胡索酸苹果酸→草酰乙酸2×32×32×12×22×3四、葡萄糖完全氧化产生和ATP第三节、磷酸戊糖途径概述磷酸戊糖途径的化学过程戊糖磷酸途径的特点研究磷酸戊糖途径的意义教学内容概述:糖的无氧酵解及有氧氧化过程是生物体内糖分解代谢的主要途,但非唯一的途径。实验表明,细胞内还存在着其它代谢途径。磷酸戊糖途径是在1931年由Warburg(瓦博)等首先发现的,但由于战争和研究的极大困难,这一课题竟停顿了10年之久,直到1953年,Dickens(狄更斯)总结了前人的研究结果,并将之发表于英国医学公报上。磷酸戊糖途径也称为戊糖支路、已糖磷酸途径或磷酸葡萄糖氧化途径。反应完全在细胞液中进行。

葡萄糖→→6-P-A葡萄糖→→3-P-甘油醛→1,3二P甘油酸→→2-P-甘油酸→

P烯醇式丙酮酸→丙酮酸甘油醛-3-磷酸脱氢酶

碘乙酸

烯醇化酶氟化物

磷酸戊糖途径的过程第一阶段(氧化阶段):氧化阶段从6-磷酸葡萄糖氧化开始,直接氧化脱氢脱羧形成5-磷酸核糖;第二阶段(非氧化阶段):非氧化阶段是磷酸戊糖分子在转酮酶和转醛酶的催化下互变异构及重排,产生6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛。此阶段产生中间产物:C3、C4、C5、C6和C7糖。6-磷酸葡萄糖的脱氢反应在6-磷酸葡萄糖脱氢酶作用下,以NADP+为辅酶,催化6-磷酸葡萄糖脱氢,生成6-磷酸葡萄糖内酯及NADPH。6-磷酸葡萄糖酸内酯的水解反应在6-磷酸葡萄糖酸内酯酶催化下,6-磷酸葡萄糖内酯水解,生成6-磷酸葡萄糖酸。6-磷酸葡萄糖酸的脱氢脱羧反应在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶作用下,以辅酶NADP+为氢受体,催化6-磷酸葡萄糖酸氧化脱羧,生成5-磷酸核酮糖和另一分子NADPH。磷酸戊糖的异构化反应磷酸核糖异构酶催化5-磷酸核酮糖转变为5-磷酸核糖,而磷酸戊酮糖表异构酶催化5-磷酸核酮糖转变为5-磷酸木酮糖。转酮反应转酮醇酶催化5-磷酸木酮糖上的乙酮醇基(羟乙酰基)转移到5-磷酸核糖的第一个碳原子上,生成3-磷酸甘油醛和7-磷酸景天庚酮糖(C5+C5→

C3+C7)。在此,转酮醇酶转移一个二碳单位,二碳单位的供体是酮糖,而受体是醛糖。转醛反应转醛醇酶催化7-磷酸景天庚酮糖上的二羟丙酮基转移给3-磷酸甘油醛,生成4-磷酸赤藓糖和6-磷酸果糖(C7+C3→

C4+C6)。转醛醇酶转移一个三碳单位,三碳单位的供体也是酮糖,而受体是也醛糖。转酮反应转酮醇酶催化5-磷酸木酮糖上的乙酮醇基(羟乙酰基)转移到4-磷酸赤藓糖的第一个碳原子上,生成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖(C5+C4→C3+C6)。此步反应与第5步相似,转酮醇酶转移的二碳单位供体是酮糖,受体是醛糖。磷酸己糖的异构化反应

6-磷酸果糖经异构化形成6-磷酸葡萄糖。磷酸戊糖途径总反应磷酸戊糖途径的特点磷酸戊糖途径与糖酵解途径都是在细胞质中进行的,其底物都是6-磷酸-葡萄糖,但两个途径各有不同的特点。磷酸戊糖途径的主要特点是葡萄糖直接脱H、脱羧,不必经过酵解途径,也不必经过三羧酸循环。在整个反应过程中,脱H酶的辅酶为NADP+,而不是NAD+。磷酸戊糖途径的生物学意义磷酸戊糖途径的重要重要产物是NADPH和5-磷酸核糖。磷酸戊糖途径中分为氧化分枝和非氧化分枝途径。其非氧化分枝途径使磷酸戊糖途径与糖酵解途径相互连接,而且转酮醇酶、转醛醇酶的催化反应是可逆的,这样使机体可以根据体内NADPH、5-磷酸核糖和ATP之间的需要而进行调节。当NADPH的需要比5-磷酸核糖多得多时,非氧化分枝生成的6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛可经糖异生途径,再合成6-磷酸葡萄糖。也就是磷酸戊糖途径中生成的5-磷酸核糖通过转酮醇酶、转醛醇酶及葡糖异生途径而再循环至6-磷酸葡萄糖。当需要5-磷酸核糖比NADPH多得多时,6-磷酸葡萄糖不经磷酸戊糖途径的氧化分枝,而是先通过酵解途径转变成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛。然后经转醛醇酶和转酮醇酶逆转将两分子6-磷酸果糖和一分子3-磷酸甘油醛变为3分子5-磷酸核糖。当需要的NADPH和5-磷酸核糖平衡时,6-磷酸葡萄糖主要通过磷酸戊糖途径形成两个NADPH和一个5-磷酸核糖。第四节葡萄糖的异生作用葡萄糖异生作用的反应途径底物循环葡萄糖异生作用的原料Cori循环葡萄糖异生作用的调控教学内容生物体内由非糖前体物质,如甘油、丙酮酸、乳酸以及某些氨基酸合成葡萄糖的过程称葡萄糖异生作用。在酵解途径中,从葡萄糖转变为丙酮酸过程中大多数酶所催化的反应都是可逆的,所以各类非糖物质转变为糖原的具体步骤基本上按酵解逆行过程进行。但已述及糖酵解过程中有三个激酶的催化反应是不可逆的,因此各类非糖物质需绕过这三个酶才能转变成葡萄糖。一、葡萄糖异生作用的反应途径糖酵解途径丙酮酸激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸转化成

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