第四章 糖类与糖类代谢177

第四章糖类与糖类代谢

糖类是四大类生物分子之一，具有重要生物学意义。糖类在生物体内不仅作为结构成分和主要能源，而且复合糖中的糖链作为细胞识别的信息分子参与许多生命过程。糖酵解过程是生物体最古老、最原始获得能量的一种方式，它是包括有氧生物在内所有生物共同经历的途径。柠檬酸循环是糖、脂类和氨基酸代谢的最后共同途径。葡萄糖在无氧条件下转变为丙酮酸后，在进入柠檬酸循环之前，先进行氧化脱羧转变为乙酰辅酶A。学习提示：

主要内容第一节生物体内的糖类第二节双糖和多糖的酶促降解第三节糖酵解第四节柠檬酸循环第五节磷酸戊糖途径第六节单糖的生物合成第七节蔗糖和淀粉的生物合成第一节生物体内的糖类糖类物质是一类多羟基醛或多羟基酮类化合物或聚合物；糖类物质可以根据其水解情况分为：单糖、寡糖和多糖；在生物体内，糖类物质主要以均一多糖、杂多糖、糖蛋白和蛋白聚糖形式存在。该节主要内容：一.单糖二.双糖三.多糖四.糖蛋白及其糖链第一节生物体内的糖类单糖（monosaccharides）是最简单的碳水化合物，它是具有两个或更多个羟基的醛或酮。最简单的单糖是甘油醛和二羟丙酮，所有的醛糖都可以看成是由甘油醛的醛基碳下端逐个插入C延伸而成。由D-甘油醛衍生而来的称D系醛糖，由L-甘油醛衍生而来的称L系醛糖。L系醛糖是相应的D系醛糖的对映体。同样各种酮糖可被认为是由二羟丙酮衍生而来的。植物体内的单糖最主要的是戊糖、己糖和庚糖。

一.单糖甘油醛二羟丙酮第一节生物体内的糖类1.戊糖（pentose）高等植物中有三种重要的戊糖：D-核糖、L-阿拉伯糖及D-木糖，这些糖类的结构式也可写成环状，其环状结构多以呋喃糖形式存在。最重要的两种戊糖是：D-核糖及2-脱氧D-核糖。D-核糖是细胞中核糖核酸的主要成分，2-脱氧-D-核糖存在于脱氧核糖核酸中，即D-核糖在第二碳原子被还原。D-核糖及2-脱氧-D-核糖结构式如下：一.单糖第一节生物体内的糖类2.己糖（hexose）最普遍存在的两种己糖是葡萄糖和果糖。它们在溶液中的主要形式并不是开链式结构，而是环式结构。因为一般说来，醛会和醇反应形成半缩醛（hemiacetal），则葡萄糖中的C-1的醛基与C-5的羟基反应，形成分子内的半缩醛，形成的糖环称为吡喃糖（pyranose），因为它与吡喃（pyran）相似。酮也能与醇反应形成半缩酮。果糖分子上的C-2酮基与C-5羟基反应，形成分子内的半缩酮，形成的糖环称为呋喃糖（furanos），因为它与呋喃（furan）相似。一.单糖第一节生物体内的糖类葡萄糖环化时产生出另一个不对称中心，即C-1，它是开链式中的羰基碳原子，在环式中变成了一个不对称中心，可以形成两种环式结构：一种是α-D-吡喃葡萄糖，α表示C-1上羰基是在环平面的下边；另一种是β-D-吡喃葡萄糖，β表示C-1上的羟基在环平面的上边。果糖的环式结构也有同样的情况，只不过α和β指的是连在C-2上的羟基。一.单糖吡喃呋喃第一节生物体内的糖类3.庚糖（heptose）庚糖虽然在自然界中分布较少，但在高等植物中存在。最重要的有D-景天庚酮糖和D-甘露庚酮糖。一.单糖第一节生物体内的糖类双糖(disaccharides)是由两个相同或不同的单糖分子缩合而成。生物体中的双糖有多种，最普遍存在的有蔗糖、麦芽糖、乳糖、纤维二糖等。1.蔗糖（sucrose）蔗糖即普通的食糖，蔗糖中的葡萄糖残基和果糖残基通过α-1，2-糖苷键连接，所以，蔗糖没有还原性的末端基团，是一种非还原性糖。结构2.麦芽糖(maltose)麦芽糖是淀粉水解的产物，它是由两分子葡萄糖通过α-l，4-糖苷键连接的二糖。麦芽糖还保留一个游离的半缩醛羟基，所以是一种还原糖。结构二.双糖第一节生物体内的糖类3.乳糖（Lactose）乳糖存在于哺乳动物的乳汁中，由一分子半乳糖和一分子葡萄糖组成，通过ß-1，4-糖苷键连接，乳糖也具有还原性。

结构

4.纤维二糖纤维素经小心水解可以得到纤维二糖，它是由2个葡萄糖单位组成，通过ß-1，4-糖苷键连接，具有还原性。结构

二.双糖第一节生物体内的糖类多糖也称聚糖，是由很多个单糖单位构成的糖类物质。各种生物体都含有多糖，最普遍的如淀粉，糖原和纤维素等等都具有重要的生物学功能。（一）淀粉（starch）淀粉是植物中普遍存在的储藏多糖，它是植物体内养分的库存。天然淀粉一般含有两种组分：一种是直链淀粉（amylose），另一种是支链淀粉（amylopectin）。三.多糖第一节生物体内的糖类1.直链淀粉

直链淀粉溶于热水，以碘液处理产生蓝色。它是由α-葡萄糖通过α-1，4-糖苷键连接组成的，是不分支类型的淀粉，当被淀粉酶水解时，便产生大量的麦芽糖，所以直链淀粉又可以说是由许多重复的麦芽糖单位组成的。2.支链淀粉支链淀粉分子量较大，在支链淀粉分子中除有α-1，4-糖苷键外，还有α-1，6-糖苷键，大约每30个α-1，4-糖苷键就有一个α-1，6-糖苷键，所以是分支类型的淀粉。支链淀粉与碘反应呈紫色或红紫色。

三.多糖第一节生物体内的糖类(二)糖原（glycogen）糖原是人和动物体内的储藏多糖。它的结构类似于淀粉，只是分支程度更高，大约每10个α-1，4-糖苷键就有一个α-1，6-糖苷键，糖原大量存在于肌肉和肝脏中。(三)纤维素(cellulose)纤维素是植物组织中主要的多糖，起着结构的作用。它是由大约上千个葡萄糖通过β-l，4-糖苷键连接组成的不分支的葡聚糖。纤维素的基本结构单位是纤维二糖可以将纤维素分子看成是几千个葡萄糖按照纤维二糖的结构特点，通过β-l，4-糖苷键连接起来的三.多糖糖原第一节生物体内的糖类四.糖蛋白及其糖链糖蛋白是多糖以共价键形式与蛋白质连接形成的生物大分子。糖链具有多样性和复杂性

糖蛋白中的寡糖链，序列多变，结构信息丰富，甚至超过核酸和蛋白质。由4个核苷酸组成的寡核苷酸，可能的序列仅有24种；而由4个己糖组成的寡糖链，可能的序列则多达3万多种。正是由于糖链结构的复杂性，使其可能包含的信息量比核酸和蛋白质大了几个数量级。第一节生物体内的糖类糖蛋白功能糖蛋白中的寡糖链在细胞识别包括细胞粘着、淋巴细胞归巢和精卵识别等生物学过程中起重要作用。

如血管内皮细胞（白细胞黏附分子），后改称E选择蛋白，能识别白细胞表面SLex(一种血型抗原）四聚糖。当组织受损或感染时，白细胞黏附于内皮细胞，沿血管壁滚动并穿过管壁进入受损组织，杀灭入侵病原物，但过多的白细胞聚集，则会引起炎症及类风湿等自身免疫疾病。

四.糖蛋白及其糖链第一节生物体内的糖类美籍华裔科学家王启辉首先用酶法合成了SLex，当时该四糖的推算价格为20亿美元/千克，经他合成后，价格降低了3～4个数量级，并已由Cytel公司生产。Glycomed公司则从中药甘草中，找到了SLex的类似物甘草素，可用于封闭血管内皮细胞表面的E选择蛋白，从而达到抗炎的目的。四.糖蛋白及其糖链第一节生物体内的糖类糖生物学1988年，牛津大学生化系的德韦克（R.Dwek）在《生化年评》(AnnualReviewofBiochemistry)上,发表了题为“glycobiology”的综述，提出了糖生物学这一名称四.糖蛋白及其糖链糖生物学第二节双糖和多糖的酶促降解二糖在酶作用下，能水解成单糖。主要的二糖酶为蔗糖酶、半乳糖酶和麦芽糖酶。这三种酶广泛存在于人及动物的小肠液和微生物中。（一）蔗糖的水解庶糖的水解主要通过蔗糖酶（也称转化酶）作用，蔗糖酶在动植物和微生物体内广泛存在。蔗糖水解后产生一分子葡萄糖和一分子果糖。

一.双糖的酶促降解第二节双糖和多糖的酶促降解（二）麦芽糖的水解麦芽糖酶催化麦芽糖水解产生葡萄糖。每分子麦芽糖水解产生2分子葡萄糖。另外，植物中还存在α-葡萄糖苷酶，此酶也可催化麦芽糖的水解，在含淀粉种子萌发时最丰富。一.双糖的酶促降解第二节双糖和多糖的酶促降解淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成。直链淀粉是由

-D-葡萄糖分子通过

1,4-糖苷键连接而成的链状化合物。支链淀粉是由多个直链淀粉通过1,6-糖苷键连接而成的树枝状多糖。能够水解淀粉的酶称为淀粉水解酶淀粉可以通过两种不同的过程降解成葡萄糖。一个过程是水解生成葡萄糖，另一个过程为磷酸解过程。二.淀粉的酶促降解第二节双糖和多糖的酶促降解（一）淀粉的水解参与淀粉水解的酶主要有以下几种：1.淀粉酶

（1）α-淀粉酶是一种需钙的金属酶，又称α-1，4-葡聚糖水解酶，是一种内淀粉酶，可以水解直链淀粉内部的α-1，4-糖苷键，生成葡萄糖和麦芽糖的混合物。如果作用于支链淀粉，则直链部分的α-1，4-糖苷键被水解，而α-1，6-糖苷键不被水解，所以水解产物为短的分支部分和寡聚糖类的混合物。二.淀粉的酶促降解第二节双糖和多糖的酶促降解（2）β-淀粉酶属巯基酶，又称α-1，4-葡聚糖基-麦芽糖基水解酶。是一种外淀粉酶，可作用于淀粉的非还原性一端而生成麦芽糖。如果作用于直链淀粉，可生成定量的麦芽糖，如果作用于支链淀粉，则生成麦芽糖和β-极限糊精。α-与β-淀粉酶水解支链淀粉见图。

二.淀粉的酶促降解第二节双糖和多糖的酶促降解2.R-酶即α-1，6-糖苷酶，又称脱支酶，它可作用于淀粉的α-1，6-糖苷键，但它不能水解支链淀粉内部的分支，只能水解支链淀粉的外围分支。所以，支链淀粉的完全降解需要有α-淀粉酶、β-淀粉酶和R-酶的共同作用。3.麦芽糖酶α，β-淀粉酶与R-酶协同作用，最终可将支链淀粉水解为葡萄糖和麦芽糖。麦芽糖在植物体内难以直接利用，必须由麦芽糖酶水解为葡萄糖，才能参与糖代谢。植物体内的麦芽糖酶通常与淀粉酶同时存在并配合作用，故麦芽糖很少积累。一.淀粉的酶促降解第二节双糖和多糖的酶促降解（二）淀粉的磷酸解淀粉除了可以被水解外，也可以被磷酸解（pho1.磷酸化酶可作用于淀粉的α-1，4-糖苷键，从非还原端依次进行磷酸解，每次释放1分子1-磷酸葡萄糖。磷酸化酶可以彻底降解直链淀粉，但降解支链淀粉时，只能降解至距分支点（α-1，6-糖苷键）4个葡萄糖基为止。支链淀粉的完全降解还需要有其他酶的作用。二.淀粉的酶促降解第二节双糖和多糖的酶促降解2.转移酶与脱支酶转移酶的主要作用是将连接于分支点上4个葡萄糖基的葡聚三糖转移至同一分支点的另一葡四糖链末端，使分支点仅留下1个α-1，6-糖苷键连接的葡萄糖基。脱支酶（即α-1，6-糖苷酶）再将这个葡萄糖基水解，使支链淀粉的分支结构转变成直链结构。磷酸化酶再进一步将其降解为1-磷酸葡萄糖。磷酸化酶、转移酶和脱支酶的协同作用，将支链淀粉（或糖原）彻底降解为1-磷酸葡萄糖二.淀粉的酶促降解第二节双糖和多糖的酶促降解综上，淀粉彻底水解产物是葡萄糖，淀粉磷酸解终产物是1-磷酸葡萄糖。后者比前者有更重要的生理意义，因为1-磷酸葡萄糖不易扩散出细胞，且不必再消耗能量便可参与糖代谢。二.淀粉的酶促降解第二节双糖和多糖的酶促降解纤维素是由

-D-葡萄糖通过

-1,4-糖苷键连接而成的长链大分子。纤维素酶能特异性地水解

-1,4-糖苷键，最终将纤维素水解成葡萄糖。人和动物的消化系统中不能分泌出纤维素酶，所以不能直接利用纤维素作为食物。反刍动物（牛，羊等）的消化道中含有某些微生物，这些微生物能分泌出纤维素酶，因此反刍动物能利用纤维素作为食物。三.纤维素的酶促降解糖的分解代谢是生物体取得能量的主要方式。生物体中糖的氧化分解主要有三条途径：（1）无氧氧化（糖酵解）（2）有氧氧化（3）磷酸戊糖途径糖酵解：指把葡萄糖转变为丙酮酸同时产生ATP的一系列反应。糖酵解是一切有机体中普遍存在的葡萄糖降解途径。整个糖酵解过程于1940年得到阐明，GustavEmbden，OttoMeyerhof，JacobParnas等人的贡献最多，故糖酵解过程也称为Embden

Meyerhof

Parnas途径，简称EMP途径。第三节糖酵解第三节糖酵解糖酵解部位:细胞溶质糖酵解过程:从葡萄糖开始,经二个阶段10步反应，最后生成丙酮酸并形成二分子ATP。第一阶段：磷酸三碳糖的生成第二阶段：丙酮酸的生成一.糖酵解的过程糖酵解过程糖酵解过程糖酵解过程

葡萄糖在分解代谢过程中产生的能量有两种形式：（1）直接产生ATP（2）生成高能分子NADH或FADH2，后者在线粒体呼吸链氧化并产生ATP糖酵解：1分子葡萄糖

2分子丙酮酸，共消耗了2个ATP，产生了4个ATP，实际上净生成了2个ATP，同时产生2个NADH。按照一个NADH能够产生2.5个ATP，1个FADH2能够产生1.5个ATP计算，若糖酵解进入有氧氧化则产生2+2.5+2.5=7ATP二.糖酵解中产生的能量第三节糖酵解第三节糖酵解糖酵解途径有两方面的作用：（1）使葡萄糖降解产生ATP（2）为合成反应提供原料。为满足这两方面的需要，细胞就要调节糖酵解的速率。在代谢途径中，催化基本上不可逆反应的酶所处的部位是控制代谢反应的有力部位。在糖酵解途径中由己糖激酶，6-磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的反应实际上都是不可逆反应，因此这三个酶均有调节糖酵解途径的作用。三.糖酵解的控制在所有生物中糖酵解的过程都是非常类似的，但在不同生物体中丙酮酸的去路却有所不同。在有氧条件下丙酮酸进入TCA（第四节讲）；在无氧条件下丙酮酸主要有以下去路：四.丙酮酸的去路第三节糖酵解（一）丙酮酸形成乳酸在供氧不足或缺氧时，细胞必须用糖酵解产生的ATP分子暂时满足对能量的需要。为了使3-磷酸-甘油醛继续氧化，必须提供氧化型的NAD+。丙酮酸作为NADH的受氢体，使细胞在无氧条件下重新生成NAD+，于是丙酮酸的羰基被还原，生成乳酸。在此反应中，3-磷酸甘油醛氧化时所形成的NADH在丙酮酸的还原反应中消耗掉了，使NAD+

得到再生，从而维持糖酵解在无氧条件下继续不断地运转。如果NAD+

不能再生，那么糖酵解进行到3-磷酸甘油醛就不能再向下进行，也就没有ATP的产生。丙酮酸变成乳酸及葡萄糖转变为乳酸的总反应如下：四.丙酮酸的去路第三节糖酵解（二）丙酮酸形成乙醇在酵母和其他一些微生物体内，无氧条件下将丙酮酸转变成乙醇和CO2。这一过程实际包括两个反应步骤（1）丙酮酸的脱羧生成乙醛和CO2；（2）脱羧生成的乙醛由NADH+H+还原生成乙醇同时产生氧化型NAD+，

由葡萄糖转变为乙醇的过程称为酒精发酵，这一无氧过程的净反应为：葡萄糖+2Pi+2ADP+2H+→2乙醇+2CO2+2ATP+2H2O在乙醛生成乙醇的过程中，NAD+得到再生，可用于3-磷酸甘醛的氧化。四.丙酮酸的去路第三节糖酵解概念:指在有氧条件下，丙酮酸进行氧化脱羧，形成乙酰辅酶A，然后乙酰辅酶A通过柠檬酸循环被完全氧化为CO2,这一途径称为柠檬酸循环（citricacidcycle）,又称三羧酸循环（TCA循环)或Krebs循环场所:线粒体发现:柠檬酸循环是燃料分子（氨基酸、脂肪酸和碳水化合物）的最后的共同途径,它的发现是生物化学领域的一项重大成就，1953年该项成就获得了诺贝尔奖。第四节柠檬酸循环在无氧条件下:葡萄糖经分解代谢形成丙酮酸或无氧发酵形成乳酸或乙醇，释放有限能量；在有氧条件下:葡萄糖分解代谢并不停止在丙酮酸，而是继续进行有氧分解，最后形成CO2和H2O，同时释放出更多能量。它所经历的途径分为两个阶段，分别为柠檬酸循环和氧化磷酸化。可见糖的有氧分解代谢实际上是糖的无氧分解代谢的继续，只是从丙酮酸生成后，无氧酵解与有氧氧化才开始进入不同途径。第四节柠檬酸循环为丙酮酸进入柠檬酸循环的准备阶段催化此反应的酶是丙酮酸脱氢酶复合物，该酶复合物存在于线粒体衬质上，它催化丙酮酸的氧化脱羧反应，并生成乙酰辅酶A。此作用将糖酵解和柠檬酸循环连接起来。丙酮酸+NAD++CoA乙酰CoA+CO2+NADH+H+当NADH通过线粒体中的电子传递链把电子传递给O2时，NAD+就再生出来，可供此反应和3-磷酸甘油醛的氧化反应所用。一.由丙酮酸形成乙酰辅酶A

第四节柠檬酸循环丙酮酸脱氢酶复合物:是一个非常大的多酶复合物，包括三种酶、五种辅助因子

三种酶:丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸转乙酰酶和二氢硫辛酸脱氢酶五种辅助因子：

S硫胺素焦磷酸（TPP）、硫辛酸LS、辅酶A，FAD和NAD+，还有Mg2+。由丙酮酸生成乙酰辅酶A的反应如下：一.由丙酮酸形成乙酰辅酶A第四节柠檬酸循环1.丙酮酸脱氢酶催化丙酮酸与TPP结合，从而发生脱羧。一.由丙酮酸形成乙酰辅酶A第四节柠檬酸循环2.由二氢硫辛酸转乙酰酶催化，使连在TPP上的羟基被氧化，形成乙酰基，并转移到硫辛酸的硫原子上，形成乙酰硫辛酸。一.由丙酮酸形成乙酰辅酶A第四节柠檬酸循环3.还是由二氢硫辛酸转乙酰酶催化，从乙酰硫辛酸上转移乙酰基到辅酶A的硫醇基上，形成乙酰辅酶A及二氢硫辛酸，并且高能硫酯键保留下来。一.由丙酮酸形成乙酰辅酶A第四节柠檬酸循环4.由二氢硫辛酸脱氢酶催化，将二氢硫辛酸氧化，使硫辛酸再生，同时FAD作为辅基被还原，氧化剂是NAD+。一.由丙酮酸形成乙酰辅酶A第四节柠檬酸循环在有氧条件下，乙酰辅酶A经过一种循环反应，使其中的乙酰基被彻底氧化为CO2和H2O，这种循环称为柠檬酸循环。整个循环过程包括8个步骤:二.柠檬酸循环的反应过程第四节柠檬酸循环柠檬酸

异柠檬酸

1.乙酰辅酶A与草酸乙酸缩合生成柠檬酸

循环从草酰乙酸与乙酰辅酶A结合开始，形成柠檬酸及辅酶A。这个反应由柠檬酸合成酶（citratesynthetase）催化，草酰乙酸与乙酰辅酶A缩合形成柠檬酰辅酶A，后者再水解成一分子柠檬酸和辅酶A。

2.柠檬酸异构化形成异柠檬酸

柠檬酸必须异构化形成异柠檬酸，以便使六碳化合物进行氧化脱羧反应。首先，柠檬酸脱水生成顺乌头酸，然后再加水生成异柠檬酸。催化这两步反应的酶为顺乌头酸酶

3.异柠檬酸被氧化并脱羧形成α-酮戊二酸

首先，在异柠檬酸脱氢酶的催化下，异柠檬酸被氧化脱去一对氢，生成草酰琥珀酸，草酰琥珀酸迅速脱羧生成α-酮戊二酸。

4.α-酮戊二酸经氧化脱羧形成琥珀酰辅酶A

异柠檬酸转变成α-酮戊二酸后随之进行第二次的氧化脱羧反应，形成琥珀酰辅酶A。这一反应由α-酮戊二酸脱氢酶复合物催化，反应与丙酮酸的氧化脱羧相似。

此反应为不可逆反应，释放出大量能量，反应产生一分子NADH和一分子CO2。α-酮戊二酸脱氢酶复合物与丙酮酸脱氢酶复合物在结构上相似，也由三种酶组成，包括：α-酮戊二酸脱氢酶、转琥珀酰酶和二氢硫辛酸脱氢酶。反应也需同样的辅助因子：TTP、硫辛酸、辅酶A，FAD，NAD+，另外也需有Mg2+的存在。

5.琥珀酰辅酶A转化成琥珀酸并产生一个高能磷酸键

琥珀酰CoA在琥珀酰CoA合成酶的催化下，将其高能键能转给GDP，生成GTP，同时生成琥珀酸。GTP的磷酸基团很容易转移到ADP上形成ATP。这是柠檬酸循环中唯一直接产生ATP的反应。此反应是底物水平磷酸化的一个例子。6.琥珀酸氧化生成延胡索酸

经琥珀酸脱氢酶催化，琥珀酸被氧化为延胡索酸，FAD是氢受体。

7.延胡索酸水合生成L-苹果酸

此反应由延胡索酸酶催化，该酶的催化反应具有严格的立体专一性，-OH严格地加到延胡索酸双键的一侧，而另一个H原子则加到相反的一侧，因此形成的苹果酸只有L-苹果酸。

8.L-苹果酸被氧化成草酸乙酸。

这一步是再生成草酸乙酸完成柠檬酸循环的最后一个步骤。此反应由苹果酸脱氢酶催化，NAD+是受氢体。至此，草酸乙酸又重新生成，又可和另一分子乙酰CoA缩合生成柠檬酸而进入柠檬酸循环柠檬酸循环的总化学反应式如下：乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi→2CO2+3NADH+FADH2+GTP+2H++CoA-SH从上式可以看出，柠檬酸循环的每一次循环都纳入一个乙酰CoA分子，即两个碳原子进入循环;又有两个碳原子以CO2的形式离开循环。但是离开循环的两个碳原子并不是刚刚进入循环的那两个碳原子。三.柠檬酸循环的化学总结算第四节柠檬酸循环每一次循环共有4次氧化反应。参加这4次氧化反应的有3个NAD+分子和1个FAD分子；同时有4对氢原子离开循环，形成3个NADH和1个FADH2分子。每一次循环以GTP的形式产生一个高能键，并消耗两个水分子。在柠檬酸循环中虽然没有氧分子直接参加反应,但是柠檬酸循环只能在有氧条件下进行。因为柠檬酸循环所产生的3个NADH和一个FADH2分子只能通过电子传递链和氧分子才能够再被氧化。三.柠檬酸循环的化学总结算第四节柠檬酸循环柠檬酸循环共有4个脱氢步骤，其中有3对电子经NADH转递给电子传递链，最后与氧结合生成水。每对电子通过化学计算产生2.5个ATP分子，3对电子共产生7.5个ATP分子，一对电子经FADH2转移给电子传递链，化学计算产生1.5个ATP分子，通过柠檬酸循环本身，只产生一个ATP（GTP）分子。因此，根据化学计算每循环一次最终可以形成7.5+1.5+1=10个ATP分子。这个数值比以往的计算少了两个ATP分子（以往是9+2+1=12个ATP分子）。三.柠檬酸循环的化学总结算第四节柠檬酸循环若从丙酮酸脱氢酶开始计算每分子丙酮酸氧化脱羧产生一个NADH经电子传递链最后产生2.5个ATP分子。因此，从丙酮酸开始经过一次循环共产生2.5+10=12.5个ATP分子。若从葡萄糖开始计算，若不考虑糖酵解产生的2个ATP和2个NADH，每分子葡萄糖可形成2分子丙酮酸，因此，从葡萄糖形成2分子丙酮酸开始经柠檬酸循环共产生2倍的12.5个ATP分子（12.5×2），即25个ATP和2个NADH，则一分子葡萄糖共产生25（柠檬酸循环）+（2+2×2.5）（糖酵解）=32个ATP分子。三.柠檬酸循环的化学总结算第四节柠檬酸循环各种生物，包括动物、植物、微生物都普遍存在柠檬酸循环途径，所以具有普遍的生物学意义。（1）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。糖经此途径氧化产生的能量最多。每分子葡萄糖经有氧氧化生成H2O和CO2时，可净生成32分子ATP。四.柠檬酸循环的生物学意义第四节柠檬酸循环（2）柠檬酸循环的中间产物是合成其他化合物的前体来源。柠檬酸循环可供应多种化合物的碳骨架，以供细胞生物合成之用。例如，α-酮戊二酸可作为碳架去合成谷氨酸和其他一些氨基酸；又如草酰乙酸可作为碳架去合成天冬氨酸，天冬氨酸又可转变成其他一些氨基酸；此外，卟啉中的大部分碳原子来自于琥珀酰CoA，而卟啉是叶绿素和血红素的组成部分。四.柠檬酸循环的生物学意义第四节柠檬酸循环因此，如果柠檬酸循环的中间产物被抽走用于其他生物合成，它们必须得到补充才行。假设草酰乙酸被转化成氨基酸去进行蛋白质合成，这时除非草酰乙酸重新形成，否则柠檬酸循环就会停止运转。因为乙酰CoA只有与草酰乙酸缩合才能进入柠檬酸循环。草酰乙酸如何得到补充（即回补反应）？四.柠檬酸循环的生物学意义第四节柠檬酸循环回补反应：①丙酮酸的羧化该反应是线粒体中的丙酮酸羧化酶催化的，需要生物素做辅基。四.柠檬酸循环的生物学意义第四节柠檬酸循环回补反应：②磷酸烯醇式丙酮酸的羧化磷酸烯醇式丙酮酸经过羧化可以形成草酰乙酸，反应由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化。四.柠檬酸循环的生物学意义第四节柠檬酸循环回补反应：③苹果酸脱氢生成草酰乙酸由苹果酸酶催化丙酮酸生成苹果酸，然后在苹果酸脱氢酶作用下，苹果酸脱氢生成草酰乙酸。四.柠檬酸循环的生物学意义第四节柠檬酸循环回补反应：④氨基酸形成草酰乙酸谷氨酸和天冬氨酸经过转氨基作用，可形成α-酮戊二酸和草酰乙酸。四.柠檬酸循环的生物学意义第四节柠檬酸循环（3）柠檬酸循环是糖类、脂类、蛋白质三大物质转化的枢纽。柠檬酸循环的中间产物可作为碳架形成相应的氨基酸，如前面提到的谷氨酸和天冬氨酸。另一方面，蛋白质水解的产物氨基酸，如谷氨酸、天冬氨酸脱氨后或转氨后的碳架也要通过柠檬酸循环而彻底氧化。脂肪分解后的产物脂肪酸经β-氧化后生成乙酰CoA，也要经过柠檬酸循环而彻底氧化。所以，通过柠檬酸循环将三大类物质的代谢联系起来。四.柠檬酸循环的生物学意义第四节柠檬酸循环柠檬酸循环的速率受到精确的调控以适应细胞对ATP的需要量。在整个循环过程中有三个控制部位:（1）柠檬酸合成酶催化的由乙酰CoA和草酰乙酸生成柠檬酸的反应。（2）异柠檬酸脱氢酶催化的反应（3）α-酮戊二酸脱氢酶催化的放映总之，当细胞中ATP含量高时，二碳片段进入柠檬酸循环的速率以及循环的速率都减慢了。五.柠檬酸循环的调控第四节柠檬酸循环

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径，但在生物体中还有糖的另一氧化途径，称为磷酸戊糖途径（pentosephosphatepathway）。糖的无氧酵解和有氧氧化主要是产生ATP，而磷酸戊糖途径主要是产生还原能力。当有机体变得复杂时，除了需要糖酵解的中间物供生物合成外，还需要某种还原剂，因为在糖酵解中产生的还原剂NADH又可在另一反应中被消耗，故需要另外的还原剂来源，而磷酸戊糖能够产生还原剂NADPH供合成之用。第五节磷酸戊糖途径

在大多数生化反应中，NADPH和NADH之间有根本的区别，NADH被呼吸链氧化以产生ATP，而NADPH则是在还原性的生物合成中作为氢和电子的供体。细胞易于利用的还原能力的通货是NADPH。另外，这一途径也能产生其他多种中间产物，与分解代谢及合成代谢均有密切联系。

NADH：被呼吸链氧化以产生ATPNADPH：在还原性的生物合成中作为氢和电子的供体（还原能力的通货）第五节磷酸戊糖途径磷酸戊糖途径在细胞溶质中进行，反应从6-磷酸葡萄糖开始，故又称为己糖单磷酸途径。其基本过程是6-磷酸葡萄糖脱氢生成6-磷酸葡萄糖酸，再经脱羧基作用转化为磷酸戊糖，最后通过二碳单位和三碳单位的转移进行分子间基团交换，重复生成磷酸己糖和磷酸甘油醛。在此过程中脱下的氢均以NADP+为氢受体，产生NADPH。磷酸戊糖途径的各个反应如下：第五节磷酸戊糖途径一.磷酸戊糖途径过程磷酸戊糖途径氧化阶段：1.6-P-G+NADP+6-P-G酸内酯+NADPH+H+2.6-P-G酸内酯6-P-G酸

3.6-P-G酸+NADP+5-P核酮糖+CO2+NADPH+H+非氧化阶段4.5-P核酮糖5-P核糖5.5-P核酮糖5-P木酮糖6.5-P木酮糖+5-P核糖7-P景天庚酮糖+3-P甘油醛7.7-P景天庚酮糖+3-P甘油醛6-P果糖+4-赤鲜糖8.5-P木酮糖+4-P赤藓糖6-P果糖+3-P甘油醛（1）6-磷酸葡萄糖的脱氢反应

由6-磷酸葡萄糖脱氢酶催化，生成6-磷酸葡萄糖内酯。此酶以NADP+为辅酶，反应生成NADPH。（2）6-磷酸葡萄糖酸内酯水解生成6-磷酸葡萄糖酸由6-磷酸葡萄糖酸内酯酶催化。（3）6-磷酸葡萄糖酸氧化脱羧生成5-磷酸核酮糖

反应由6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶催化，以NADP+为氢受体，生成又一分子NADPH。（4）磷酸戊糖的相互转化

磷酸核糖异构酶催化5-磷酸核酮糖转变为5-磷酸核糖；磷酸戊酮糖表异构催化5-磷酸核酮糖转变为5-磷酸木酮糖。（5）7-磷酸景天庚酮糖的生成

由转酮酶催化，将5-磷酸木酮糖的一个二碳单位(乙酮醇基)转移给5-磷酸核糖，生成3-磷酸甘油醛和7-磷酸景天庚酮糖。（6）由转醛酶催化生成四碳糖和六碳糖

7-磷酸景天庚酮糖中的一个三碳单位（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。反应由转醛酶催化。（7）转酮酶催化4-磷酸赤藓糖和5-磷酸木酮糖合成为6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛

由于生成的6-磷酸果糖很容易转变为6-磷酸葡萄糖，因此这个代谢途径具有循环机制的性质。假设开始时有6分子6-磷酸葡萄糖进入反应，则通过第一、二、三步反应产生6分子CO2和6分子5-磷酸核酮糖。1.6-P-G+NADP+6-P-G酸内酯+NADPH+H+2.6-P-G酸内酯6-P-G酸

3.6-P-G酸+NADP+5-P核酮糖+CO2+NADPH+H+这6分子5-磷酸核酮糖经过异构化作用形成4分子5磷酸木酮糖和2分子5-磷酸核糖，经过以后转酮酶和转醛酶的催化生成4分子6-磷酸果糖和2分子3-磷酸甘油醛。而这2分子3-磷酸甘油醛可以在磷酸丙糖异构酶、醛缩酶和二磷酸果糖磷酸酯酶的催化下生成1分子6-磷酸果糖。4.5-P核酮糖5-P核糖5.5-P核酮糖5-P木酮糖6.5-P木酮糖+5-P核糖7-P景天庚酮糖+3-P甘油醛7.7-P景天庚酮糖+3-P甘油醛6-P果糖+4-赤鲜糖8.5-P木酮糖+4-P赤藓糖6-P果糖+3-P甘油醛因此从开始的6分子6-磷酸葡萄糖进入反应，通过一系列反应转化为5分子6-磷酸果糖（可进一步转化为6-磷酸葡萄糖）和6分子CO2，相当于1分子6-磷酸葡萄糖被彻底氧化。此途径的总反应可用下式表示：6-P-G+12NADP++7H2O→6CO2+12NADPH+12H++Pi磷酸戊糖途径的反应氧化阶段：1.6-P-G+NADP+6-P-G酸内酯+NADPH+H+2.6-P-G酸内酯6-P-G酸

3.6-P-G酸+NADP+5-P核酮糖+CO2+NADPH+H+非氧化阶段：4.5-P核酮糖5-P核糖5.5-P核酮糖5-P木酮糖6.5-P木酮糖+5-P核糖7-P景天庚酮糖+3-P甘油醛7.7-P景天庚酮糖+3-P甘油醛6-P果糖+4-赤鲜糖8.5-P木酮糖+4-P赤藓糖6-P果糖+3-P甘油醛6个葡萄糖-6-磷酸分子进入戊糖磷酸途径，再生5个葡萄糖-6-磷酸分子，产生6分子CO2和Pi，并产生12NADPH+12H+。

磷酸戊糖途径的主要特点是葡萄糖直接脱氢和脱羧，不必经过糖酵解和三羧酸循环。脱氢酶的辅酶是NADP+。整个途径可分为氧化阶段和非氧化阶段，氧化阶段从6磷酸葡萄糖氧化开始到形成5-磷酸核糖。非氧化阶段是磷酸戊糖分子在转酮酶和转醛酶的催化下重排，产生6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛，此阶段的中间产物有C3，C4，C5，C6和C7糖的产生。磷酸戊糖途径是生物中普遍存在的糖代谢的一种途径，尤其是在植物中，有时可占50%以上。在动物及多种微生物中约有30%的葡萄糖经此途径氧化。磷酸戊糖途径最重要的意义在于：（1）磷酸戊糖途径是细胞产生还原力（NADPH）的主要途径。磷酸戊糖途径可以生成NADPH，每一分子葡萄糖被完全氧化可产生12分子NADPH，从而满足许多合成代谢的需要。生物合成（如脂肪酸的合成）需要一种还原能力，即NADPH，NADPH可以作为氢和电子的供体。第五节磷酸戊糖途径二.磷酸戊糖途径的生物学意义（2）磷酸戊糖途径是细胞内不同结构糖分子的重要来源，并为各种单糖的相互转化提供条件。如磷酸戊糖途径中产生5-磷酸核糖是核酸生物合成的必需原料。另外，核糖类化合物与光合作用也有关。此外，途径中产生的4-磷酸赤藓糖可与糖酵解产生的中间产物磷酸烯醇式丙酮酸生成莽草酸，最后生成芳香族氨基酸。所以磷酸戊糖途径与其他物质的合成代谢也有密切联系。磷酸戊糖途径不需要额外的ATP，即它与柠檬酸环产生的代谢产物无关。它的速率主要受生物合成时对NADPH的需要所调节。第五节磷酸戊糖途径二.磷酸戊糖途径的生物学意义高等植物体内的葡萄糖，可由多个代谢产生：光合作用C3途径中的部分6-磷酸果糖离开碳循环，转变为6-磷酸葡萄糖，经脱磷酸而生成葡萄糖；寡糖（蔗糖等）和多糖（淀粉等）在降解过程中产生葡萄糖；通过糖异生作用形成葡萄糖。以非糖物质作为前体合成葡萄糖的过程称为糖异生作用或葡萄糖异生作用（gluconeogenesis）。能够进行葡萄糖异生作用的非糖物质有多种，如草酰乙酸、乳酸、丙酮酸、丙酸、甘油以及氨基酸等。这是一个非常重要的代谢过程。

第六节单糖的生物合成（一）葡萄糖异生作用与糖酵解作用的关系在糖酵解中，葡萄糖转变为丙酮酸，而在葡萄糖异生作用中则是由丙酮酸转变为葡萄糖。但葡萄糖异生作用并不是糖酵解作用的直接逆反应。糖酵解中三个不可逆反应步骤是糖解过程中自由能减少的反应，所以葡萄糖异生作用要利用糖酵解过程中的可逆反应步骤必须对上述3个不可逆过程采取迂回措施绕道而行。所以葡萄糖异生作用的关键是如何绕过这三个不可逆步骤。第六节单糖的生物合成一.葡萄糖异生作用的途径（二）葡萄糖异生对糖酵解的不可逆过程采取的迂回措施(需绕过)1.丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸2.1，6-二磷酸果糖生成6-磷酸果糖3.6-磷酸葡萄糖生成葡萄糖第六节单糖的生物合成一.葡萄糖异生作用的途径1.丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸。该过程分两步进行：（1）丙酮酸消耗一分子ATP而被羧化为草酰乙酸。糖酵解中磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸的反应为不可逆反应，需绕过。该绕过反应由丙酮酸羧化酶催化完成。丙酮酸羧化酶存在于线粒体，以生物素为辅基，另外还需ATP及乙酰CoA作为辅助因子。

第六节单糖的生物合成一.葡萄糖异生作用的途径（2）草酸乙酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的催化下，脱羧生成磷酸烯醇式丙酮酸，该反应消耗一个GTP分子。反应如下：

这两个步骤的总反应为：丙酮酸+ATP+GTPPEP+ADP+GDP+Pi;第六节单糖的生物合成一.葡萄糖异生作用的途径2.1，6-二磷酸果糖生成6-磷酸果糖。糖酵解中由6-磷酸果糖生成1，6-二磷酸果糖的反应也是不可逆的，所以需要由二磷酸果糖磷酸酯酶催化，水解下C-1上的磷酸基，生成6-磷酸果糖。

第六节单糖的生物合成一.葡萄糖异生作用的途径3.6-磷酸葡萄糖生成葡萄糖。糖酵解中的第一步反应为不可逆反应，所以也需绕过。由6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶催化将6-磷酸葡萄糖的磷酸基水解，生成葡萄糖。

第六节单糖的生物合成一.葡萄糖异生作用的途径葡萄糖异生的化学计算关系为：2丙酮酸+4ATP+2GTP+2NADH+6H2O→葡萄糖+4ADP+2GDP+6Pi+2NAD+在葡萄糖异生中，由丙酮酸合成葡萄糖需要6个高能磷酸键，所以此过程是一个吸能过程。综上，作为生物体内单糖合成的中心途径——糖异生作用途径大部分反应与糖酵解的反应相同，但它有两方面不同于糖酵解，现小结如下：第六节单糖的生物合成一.葡萄糖异生作用的途径（1）克服糖酵解的3步不可逆反应。（2）糖酵解全过程在细胞液进行，而糖异生作用则分别在线粒体和细胞液进行——丙酮酸必须进入线粒体羧化成草酰乙酸，后者再转变成苹果酸、延胡索酸和天冬氨酸而后逸出线粒体，在细胞液中恢复成草酰乙酸，并转变成磷酸烯醇式丙酮酸，才参与葡萄糖合成。糖异生途径、糖异生作用与糖酵解途径比较如下：第六节单糖的生物合成一.葡萄糖异生作用的途径

图中单箭头表示与糖酵解不同的反应途径，其他反应都属糖酵解过程的逆反应单线箭表示糖异生作用；双线箭头表示糖酵解糖酵解和糖异生反应中酶的差异糖酵解作用葡糖异生作用1.己糖激酶葡萄糖-6-磷酸酶2.磷酸果糖激酶果糖-1，6-二磷酸酶3.丙酮酸激酶丙酮酸羧化酶

PEP羧激酶第六节单糖的生物合成一.葡萄糖异生作用的途径葡萄糖异生作用和糖酵解作用有密切的相互协调关系，如果糖酵解作用活跃，则糖异生作用必受一定限制。如果糖酵解的主要酶受到抑制，则葡糖异生作用酶的活性就受到促进。这种相互制约又相互协调的关系主要由两种途径不同酶活性和浓度起作用；此外底物浓度也起调节作用。无论是糖酵解作用还是葡萄糖异生作用都是高度的放能过程，除上述相互协调的关系外，不存在热力学上的调控抑制关系。这两种过程虽可同时进行，但对机体来说显然不是毫无意义的“无用循环”。 第六节单糖的生物合成二、糖异生作用的调节在双糖与多糖的代谢中，糖核苷酸起着重要的作用，故先介绍糖核苷酸的作用与形成。单糖与核苷酸通过磷酸酯键结合的化合物称为糖核苷酸。在高等植物（包括动物）体内，糖核苷酸是合成双糖和多糖过程中单糖的活化形式与供体。在糖类物质代谢中，以尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）和腺苷二磷酸葡萄糖（ADPG）为最重要，这两种物质的结构式如下：第七节蔗糖和淀粉的生物合成一.糖核苷酸的作用与形成UDPG和ADPG可在相应的酶的催化下生成。UDPG是在UDPG焦磷酸化酶催化下由1-磷酸葡萄糖和尿苷三磷酸（UTP）生成的，反应中，UTP首先分解出两个磷酸基生成焦磷酸，留下的UMP的磷酸基再与1-磷酸葡萄糖的磷酸基结合，形成UDPG。反应如下：1-P-G+UTPUDPG焦磷酸化酶

UDPG+PPi生成ADPG的反应与上述反应类似，所不同的是以ATP代替UTP，并有ADPG焦磷酸化酶催化反应。1-P-G+ATPADPG焦磷酸化酶

ADPG+