第七章 糖代谢课件

第七章糖代谢一、新陈代谢的概念二、糖的酶促水解三、糖的分解代谢（一）糖酵解（二）糖的有氧氧化（三）乙醛酸循环（四）磷酸戊糖途径四、糖的合成代谢（一）糖异生作用（二）蔗糖的合成（三）糖原的合成（四）淀粉的合成五、糖代谢主要途径的相互联系07第七章糖代谢一、新陈代谢的概念（一）新陈代谢的概念

新陈代谢是生物最基本的特征，是生命存在的前提。新陈代谢是生物与外界环境进行物质交换与能量交换的全过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取物质，通过一系列生化反应，转变为自己的组成成分，另一方面，将原有的组成成分经过一系列的生化反应，分解为不能再利用的物质排出体外，不断地进行自我更新。

新陈代谢包括生物体内所发生的一切合成和分解作用。一般说来，生物体把从外界摄取的含低能量的较简单的化合物，转化成高能量的复杂的细胞结构的化合物。也就是说在新陈代谢所包括的合成代谢与分解代谢中，前者是吸能反应，后者是放能反应，合成与分解代谢既表现着生物体内物质分子的改变，又体现出生物体在生命活动中能量的变化。07第七章糖代谢

生物体通过新陈代谢所产生的生命现象，是建立在合成代谢与分解代谢矛盾对立和统一的基础上的，它们间是相互联系、相互依存，而且是相互制约的。一个合成代谢过程，常常包括许多分解反应；一个分解过程也常常包括许多合成反应。在能量代谢的放能与吸能两方面上也是相互联系，相互制约的。07第七章糖代谢

在机体的生命过程中合成代谢(同化作用)与分解代谢(异化作用)的主次关系也是相互转化的，由于这种转化就使生物个体的发展呈现出生长、发育和衰老等不同的阶段。可见，生命机体通过新陈代谢获得它所必需的能量；通过新陈代谢建造和修复生物体；通过新陈代谢完成遗传信息的贮存、传递和表达过程，使得生物物种世代繁衍、生生不息。总之，合成为分解准备了物质前提，外部物质变为内部物质；同时，分解为合成提供必需的能量，内部物质又能转变为外部物质。各种生物都具有各自特异的新陈代谢类型，此特异方式决定于遗传，环境条件也有一定的影响。07第七章糖代谢（二）新陈代谢的特点①生物体内的绝大多数代谢反应是在温和的条件下，由酶所催化进行的；新陈代谢实质上就是错综复杂的化学反应相互配合，彼此协调，对周围环境高度适应而成的一个有规律的总过程。新陈代谢过程包括营养物质的消化吸收、中间代谢以及代谢产物的排泄等阶段。中间代谢一般仅指物质在细胞中的合成和分解过程，不涉及营养物质的消化吸收与代谢产物的排泄等。本课程着重讨论中间代谢。②生物体内反应与步骤虽然繁多，但相互配合，有条不紊，彼此协调，而有严格的顺序性；③生物体对内外环境条件有高度的适应性和灵敏的自动调节能力.各种生物的新陈代谢过程虽然复杂，但却有共同的特点:07第七章糖代谢（三）新陈代谢的研究方法代谢研究的方法很多。代谢研究方法的选择，要考虑研究的对象和所要解决的问题。常用的方法有以下几种。1、同位素示踪法同位素示踪法(isotopictracertechnique)也称为体内(invivo)水平的代谢研究。原子序数相同，化学性质相同，但质量不同的元素叫做某元素的同位素，即同位素的质子数相同，中子数不同。同位素有稳定同位素和放射性同位素两种；天然同位素都是稳定同位素。放射性同位素的核能够自己发生变化，放出带有电荷的粒子或不带电荷的射线。稳定同位素和放射性同位素都可用于代谢研究，但放射性同位素要比稳定同位素应用方便些。07第七章糖代谢对于所有的元素，都能用人工的方法得到它们的放射性同位素；放射性同位素都有一定的半衰期。生物化学研究中常用的放射性同位素有：氚(3H，半衰期为12年)、碳14(14C，半衰期为5100～5730年)、磷32(32P，半衰期为14天)、碘131(131I，半衰期为8天)、钙45(45Ca，半衰期为152天)和硫35(35S，半衰期为88天)。同位素示踪法简便、灵敏度高、特异性强；是物质代谢研究中十分重要的方法。07第七章糖代谢2、酶抑制剂和拮抗物的应用也称为体外(invitro)水平的代谢研究。由于代谢反应都是酶促反应，使用某种酶的抑制剂或抗代谢物，观察某一反应被抑制后的结果，从而推测某物质在体内的代谢变化。这些实验一般在体外进行，所以称为体外水平的代谢研究。3、整体水平的代谢研究如克诺普(Knoop)以活的动物犬为实验对象，给犬喂不同碳原子数的脂肪酸后,分析它的排泄物成分，提出了脂肪酸卢—氧化作用的学说。07第七章糖代谢4、器官水平代谢研究如对排尿素动物尿素合成部位的研究。切除动物的肝脏，发现动物血液中氨基酸水平和血氨水平均升高，而尿中尿素含量下降，动物不久即死亡。切除肾脏却无此现象，说明肝脏与尿素合成有关。07第七章糖代谢5、细胞、亚细胞水平的代谢研究新陈代谢所包括的所有反应几乎都是酶催化的过程。将组织匀浆液进行差速离心或密度梯度离心，可分离到不同的亚细胞成分；由于不同的亚细胞成分所含有的酶系不同，功能不同；因而发现了糖类物质、脂类物质的分解代谢主要是在线粒体中进行的，而脂肪酸的合成主要是在胞浆中进行的。一些亚细胞成分及所含的酶系如下所示。07第七章糖代谢二、糖的酶促水解（一）淀粉的酶促水解直链淀粉的分子结构较为简单，水解较容易，枝链淀粉分子结构则较为复杂，需要比水解直链淀粉更多的酶参与，才能彻底水解为葡萄糖。参与淀粉水解的酶有α-淀粉酶、β-淀粉酶、脱枝酶和麦芽糖酶。07第七章糖代谢水解淀粉的酶类α-淀粉酶β-淀粉酶：存在植物体内α-糊精酶：动物粘膜R-酶：唾液淀粉酶胰淀粉酶植物a-淀粉酶微生物a-淀粉酶动物消化道水解a-1，4糖苷键存在植物体内水解a-1，6糖苷键葡糖淀粉酶：主要存在微生物体内，动物消化道也有。可水解a-1，4、a-1，6糖苷键，理论上可将支链、直链淀粉彻底水解。07第七章糖代谢1．α-淀粉酶为淀粉内切酶，其作用方式是在淀粉分子内部任意切断(水解)α-1,4-糖苷键，直链淀粉先被水解成α-1,4糊精，枝链淀粉除生成α-1,4糊精外，还生成α-1,4-α-1,6糊精。对上述各种糊精α-淀粉酶可继续内切。随糊精链长度的缩短，酶对底物的亲和力渐渐降低，水解速度减慢，但最终可将α-1,4糊精水解为麦芽糖和葡萄糖，α-l,4-α-1,6糊精最终被水解为少量的麦芽糖，异麦芽糖，葡萄糖和大量的α-极限糊精(带有分枝和直链的多于3个葡萄糖残基的寡聚糖，为α-淀粉酶水解枝链淀粉的极限)。07第七章糖代谢07第七章糖代谢07第七章糖代谢

2．β-淀粉酶为淀粉外切酶，水解α-1，4苷键，作用有严格的顺序性，只能从淀粉的非还原端开始，依次水解下一个麦芽糖单位。β-淀粉酶不能越过分枝点水解淀粉内部的α-1,4糖苷键。在进行水解时，由于该酶能使基团发生转位反应，将α-型转变为β-型，故水解下的为β-麦芽糖。直链淀粉被水解后生成定量的β-麦芽糖，而枝链淀粉除生成麦芽糖外，还生成带有许多分枝的不再被β-淀粉酶水解的β-极限糊精。07第七章糖代谢

此外，水解直链淀粉时，还有一种环糊精酶，能将直链淀粉的螺旋管“切断”，得到含6～8个葡萄糖单位的闭合环，即环糊精。07第七章糖代谢3.脱枝酶（R酶）枝链淀粉经α-淀粉酶、β-淀粉酶水解后留下的极限糊精中均带有1,6糖苷键，有脱枝酶将它水解，得到不带分枝的葡聚糖继续在α-淀粉酶和β-淀粉酶作用下水解，生成麦芽糖和葡萄糖。由上可知，枝链淀粉的彻底水解需要α-淀粉酶、β-淀粉酶，脱枝酶和麦芽糖酶共同作用。4．麦芽糖酶有α-葡萄糖苷酶之称，能水解麦芽糖以及糊精中的α-1，4糖苷键。淀粉水解剩下的麦芽糖在麦芽糖酶的作用下，彻底水解成葡萄糖。麦芽糖酶有水解活性不同的多种同工酶。07第七章糖代谢（二）糖原的降解（磷酸解）07第七章糖代谢07第七章糖代谢（三）纤维素的酶促水解已知纤维素酶是复合酶，至少包括以下成分；①内切β-1，4葡聚糖酶，能随机切断β-1，4苷键，捉供许多可供反应的末端，②外切β-1，4葡聚糖酶，该酶又可分为从非还原性末端开始切下一个β-葡萄糖和切下一个β-葡聚二糖(纤维二糖)的两种，③纤维二糖酶，能将纤维二糖水解成β-葡萄糖。07第七章糖代谢

纤维素不能被人体利用作为营养，但食草动物依靠胃肠中能分泌纤维素酶的细菌的作用，可将食入的纤维素降解为葡萄糖加以利用。此外，自然界中也存在能分解纤维的许多细菌，如青霉菌、枯草杆菌等，以及某些真菌(如多孔菌)。它们能合成和分泌纤维素酶，分解和利用草类和木材中的纤维素作为碳源，如木耳、香菇等食用菌的裁培即是如此。但在植物体中却很少有纤维素酶，只在少数发芽的种子和幼苗(如大麦、玉米、菠菜等)中有所发现。07第七章糖代谢（四）双糖的水解二糖酶中最重要的为蔗糖酶、麦芽糖酶、和乳糖酶。它们都属于糖苷酶类。这三种酶广泛分布于微生物、人体及动物小肠液中。其催化反应为：07第七章糖代谢（五）糖类的消化、吸收及转化◆糖的消化植物经光合作用产生的淀粉是动物的重要营养来源。在动物中，淀粉经唾液淀粉酶的作用，其中一部分形成麦芽糖。在小肠中，淀粉经α-淀粉酶水解，产生麦芽糖和极限糊精。食物中的二糖及寡糖由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，乳糖由β-半乳糖苷酶水解。07第七章糖代谢

◆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，寡糖及多糖不能被吸收。

◆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。07第七章糖代谢07第七章糖代谢细胞膜还有一个不需要Na+的易化扩散系统，主要对D-果糖有特殊的转运活性。07第七章糖代谢在易化扩散中，底物与膜上载体蛋白有特异亲和力，可发生可逆结合，生成复合物。在结合或释放底物时，由于载体蛋白发生变构现象而促进了底物的转运。载体蛋白有R型和T型两种构象。R型对底物S的亲和力较高，T型对底物S的亲和力较低。当膜外侧存在底物S时，S可与R型载体结合，形成RS，进而发生变构，RS转变为TS，使载体与底物S的亲和力降低，同时，载体蛋白与底物S的结合部位转向膜的内侧，并释放底物S。底物S从膜外转运到膜内。07第七章糖代谢三、糖的分解代谢糖的分解代谢是生物体取能的方式，为了要尽量地利用糖分子中蕴藏的能，生物体所采用的取能方式是复杂的、微妙的、也是高效率的。糖的分解代谢实质上就是它的氧化作用。07第七章糖代谢生物体内葡萄糖(或糖原)的分解代谢途径有很多，但最主要的有3条途径：(1)在无氧情况下，葡萄糖(糖原)经酵解生成乳酸。葡萄糖→丙酮酸→乳酸(2)在有氧情况下，葡萄糖(糖原)最后经三羧酸循环彻底氧化为水和二氧化碳。(3)葡萄糖(糖原)经戊糖磷酸循环被氧化为水和二氧化碳。植物体、微生物体的分解代谢，除上述动物体的3条途径外，还有生醇发酵及乙醛酸循环等。07第七章糖代谢（一）糖酵解

糖酵解（glycolysis）是通过一系列酶促反应将葡萄糖降解成丙酮酸并伴有ATP生成过程的途径〔简称EMP途径〕。糖酵解是动物、植物以及微生物细胞中葡萄糖分解产生能量的共同代谢途径。事实上在所有的细胞中都存在着糖酵解途径，对于某些细胞，糖酵解是唯一生成ATP的途径。1.糖酵解是个普遍存在的糖代谢途径糖酵解途径涉及10个酶催化反应，途径中的酶都位于细胞质中，一分子葡萄糖通过该途径被转换成两分子丙酮酸。2.糖酵解的反应历程07第七章糖代谢07第七章糖代谢07第七章糖代谢07第七章糖代谢

上图中给出的酵解途径是一个概括图，我们现在按照图中的反应序号依次对每一步反应的化学和酶的特性进行比较详细的讨论。就象图中表示的那样，每一步反应的产物都是下一步反应的底物。糖酵解10步酶催化反应：1）

己糖激酶催化葡萄糖磷酸化形成葡萄糖-6-磷酸，消耗一分子ATP。07第七章糖代谢2）葡萄糖-6-磷酸异构酶催化葡萄糖-6-磷酸转化为果糖-6-磷酸07第七章糖代谢3）磷酸果糖激酶-I催化果糖-6-磷酸磷酸化生成果糖-1,6-二磷酸，消耗了第二个ATP分子。07第七章糖代谢4）醛缩酶催化果糖-1,6-二磷酸裂解，生成甘油醛-3-磷酸和磷酸二羟丙酮。07第七章糖代谢5）丙糖磷酸异构酶催化甘油醛-3-磷酸和磷酸二羟丙酮的相互转换07第七章糖代谢07第七章糖代谢6）甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化甘油醛-3-磷酸氧化为1,3-二磷酸甘油酸07第七章糖代谢7）磷酸甘油酸激酶催化1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸，同时生成ATP。07第七章糖代谢8）磷酸甘油酸变位酶催化3-磷酸甘油酸转换为2-磷酸甘油酸07第七章糖代谢9）烯醇化酶催化2-磷酸甘油酸形成磷酸烯醇式丙酮酸07第七章糖代谢10）丙酮酸激酶催化磷酰基从磷酸烯醇式丙酮酸转移给ADP，生成丙酮酸。07第七章糖代谢

酵解进行到这一步，除了净生成二分子ATP外，还使得二分子的NAD＋还原为NADH。葡萄糖＋2ADP＋2NAD＋＋2Pi—

2丙酮酸＋2ATP＋2NADH＋2H＋＋2H2O07第七章糖代谢动画07第七章糖代谢

在厌氧状态下，酵母细胞将丙酮酸转化为乙醇和CO2，同时NADH被氧化为NAD＋，这一过程涉及二个反应。首先在丙酮酸脱羧酶（pyruvatedecarboxylase）催化下，丙酮酸脱羧生成乙醛，然后乙醛在醇脱氢酶（alcoholdehydrogenase）催化下还原为乙醇的同时，NADH被氧化为NAD＋。一分子葡萄糖经酵解和丙酮酸转化为乙醇的总反应为：3.酵母于厌氧条件下可将丙酮酸转化成乙醇07第七章糖代谢葡萄糖＋2Pi＋2ADP＋2H＋→2乙醇＋2CO2＋2ATP＋2H2O07第七章糖代谢

绝大多数生物缺少丙酮酸脱羧酶，不能象酵母那样将丙酮酸转化成乙醇，但可以通过乳酸脱氢酶（LDH）催化的一个可逆反应使丙酮酸还原为乳酸。一旦形成乳酸，乳酸除了重新转换成丙酮酸之外再没有其它的代谢途径了，因此乳酸是代谢的死胡同。由于形成乳酸的同时，可以使NADH氧化成NAD＋，这样酵解途径就完整了，因为生成的NAD＋又可用于甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化的反应，就象在酒精发酵途径所看到的那样。4.在绝大多数细胞中丙酮酸可以转化为乳酸葡萄糖＋2Pi＋2ADP＋2H＋－→2乳酸＋2ATP＋2H2O07第七章糖代谢5.酵解过程中ATP的合成及酵解反应总结如果酵解从糖原开始，可以产生几个ATP？☆

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，净产量是2分子ATP。☆葡萄糖的无氧分解途径，无O2的参与，但有氧化还原反应。07第七章糖代谢△葡萄糖酵解的总反应式：葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+→2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O△

在无氧条件下，酵解共产生2分子ATP，2分子NADH。NADH将H+交给2分子丙酮酸，生成2分子乳酸。葡萄糖+2ADP+2Pi→2乳酸+2ATP+2H2O07第七章糖代谢酵解的3个主要调控部位6.酵解途径的调控酵解过程最关键的限速酶07第七章糖代谢酵解过程有三步不可逆反应，即有三个调控步骤，分别被己糖激酶，磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶调节。己糖激酶控制葡萄糖的进入，丙酮酸激酶调节酵解的出口。细胞在不同的生理条件下需要不同的酶进行调节。

磷酸果糖激酶是酵解过程最关键的限速酶。07第七章糖代谢酵解调节的总结07第七章糖代谢7.其他进入酵解的糖07第七章糖代谢

1)糖酵解在所有生物体中普遍存在，它在无氧及有氧条件下都能进行，是葡萄糖进行有氧或无氧分解的共同代谢途径。通过糖酵解，生物体获得生命活动所需的能量。其中糖通过糖酵解途径的无氧降解是厌氧生物获得能量的主要方式，因而是这类生物能在缺氧环境中生存的主要原因。需氧生物则可通过糖的有氧降解，获得比糖酵解更多的能量，更利于进行生命活动，这在地球的演变(从缺氧→有氧)过程中，生物因此得以进化(从厌氧生物→兼性厌氧生物→需氧生物)。8.糖酵解的生物学意义07第七章糖代谢

2)糖酵解途径中形成多种中间产物，其中某些中间产物可作为合成其它物质的原料离开糖酵解途径转移到其它代谢途径，生成别的化合物。如3-磷酸甘油醛或磷酸二羧丙酮可转变为甘油，丙酮酸可转变为丙氨酸，6-磷酸葡萄糖可进入磷酸戊糖途径，从而使糖酵解与其它代谢途径联系起来，实现某些物质间的相互转化。3)糖酵解途径虽然有三步反应不可逆，但其余反应均可逆转，所以，它为糖异生作用提供基本途径。07第七章糖代谢（二）糖的有氧氧化

从己糖分解到乳酸或丙酮酸，仅释放有限的能。大部分生物的糖代谢是在有氧条件下进行的，糖的有氧分解代谢实际上是糖的无氧分解代谢的继续。从丙酮酸生成以后，无氧酵解与有氧氧化才开始有了分歧，因此糖的有氧氧化，实质上是丙酮酸如何被氧化的问题，但丙酮酸以后的氧化都是在线粒体上进行的。葡萄糖的有氧分解代谢途径是一条完整的代谢途径。是从葡萄糖到丙酮酸经三羧酸循环，彻底氧化成二氧化碳与水的一系列连续反应。07第七章糖代谢

柠檬酸循环又称之三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle简写TCA循环），因为循环中存在三羧酸中间产物。又因为该循环是由H.A.Krebs首先提出的，所以又叫做Krebs循环（1953年获诺贝尔奖）。

三羧酸循环是有氧代谢的枢纽，糖、脂肪和氨基酸的有氧分解代谢都汇集在柠檬酸循环的反应，同时柠檬酸循环的中间代谢物又是许多生物合成途径的起点。因此柠檬酸循环既是分解代谢途径，又是合成代谢途径，可以说是分解、合成两用途径。07第七章糖代谢三羧酸循环中的酶分布在原核生物的细胞质和真核生物的线粒体中。因为细胞质中通过酵解生成的丙酮酸可以进入柠檬酸循环，但必须首先转换成乙酰CoA。在真核生物中，丙酮酸首先要转运到线粒体内，然后才能进行转换成乙酰CoA的反应。线粒体是由双层膜包围着的一个亚细胞器，丙酮酸可以扩散通过线粒体外膜，但进入基质需要内膜上的蛋白转运。嵌在内膜中的丙酮酸转运酶可以特异地将丙酮酸从膜间质转运到线粒体的基质中，进入基质的丙酮酸脱羧生成乙酰CoA，经三羧酸循环进一步被氧化。07第七章糖代谢07第七章糖代谢

无论是在原核生物，还是在真核生物中，丙酮酸转化为乙酰CoA和CO2，都是由一些酶和辅酶构成的一个丙酮酸脱氢酶复合物催化的，总反应为：1.丙酮酸脱氢酶复合物将丙酮酸转化为乙酰CoA07第七章糖代谢

丙酮酸脱氢酶复合物（pyruvatedehydrogenasecomplex）是个多酶集合体，复合物中的酶分子通过非共价键联系在一起，催化一个连续反应，即酶复合物中一个酶反应中形成的产物立刻被复合物中下一个酶作用。丙酮酸脱氢酶复合物位于线粒体膜上，是由：丙酮酸脱氢酶（pyruvatedehydrogenase）（E1）二氢硫辛酸转乙酰基酶（dihydrolipoyltransacetylase）（E2）二氢硫辛酸脱氢酶（dihydrolipoyldehydrogenase）（E3）TPP、CoASH、硫辛酸、FAD、NAD＋和Mg2+3种酶：6种辅助因子：07第七章糖代谢07第七章糖代谢（1）E1催化丙酮酸脱羧，并将剩下的二碳片段转移到E2的组成成分硫辛酰胺（lipoamide）上。丙酮酸首先与E1的辅基焦磷酸硫胺素（TPP）反应，释放出CO2后，生成羟乙基-TPP（hydroxyethylthiaminepyrophosphate），然后羟乙基被转移至E2的辅基硫辛酰胺上。硫辛酰胺是由硫辛酸通过酰胺键与E2中的赖氨酸残基共价结合形成的。07第七章糖代谢

硫辛酰胺辅基象一个摆动臂在E1和E3的活性部位之间运动。二碳单位羟乙基从E1转移至E2的硫辛酰胺辅基上涉及羟乙基-TPP被硫辛酰胺氧化生成乙酰-TPP，硫辛酰胺本身转化为二氢硫辛酰胺，以及乙酰-TPP中的乙酰基再被转移至二氢硫辛酰胺生成乙酰-二氢硫辛酰胺的过程。07第七章糖代谢07第七章糖代谢

（2）辅酶A与乙酰-二氢硫辛酰胺中的乙酰基反应生成乙酰CoA，并释放出二氢硫辛酰胺。至此丙酮酸转换为乙酰CoA的反应已经完成，为了能够进行下一轮的丙酮酸转换为乙酰CoA的反应，必须要将二氢硫辛酰胺转换为硫辛酰胺。

（3）E3催化E2的二氢硫辛酰胺氧化重新形成硫辛酰胺，带有硫辛酰胺的E2再参与下一轮反应。E3的辅基黄素腺苷二核苷酸（E3-FAD）使二氢硫辛酰胺氧化，同时辅基本身被还原生成E3-FADH2，然后E3-FADH2再使NAD＋还原，生成NADH和起始的全酶E3-FAD。

丙酮酸转化为乙酰CoA的反应实际上不是柠檬酸循环中的反应，而是酵解和柠檬酸循环之间的桥梁，真正进入三羧酸循环的是丙酮酸脱羧生成的乙酰CoA。07第七章糖代谢2.三羧酸循环包括八步酶促反应由丙酮酸形成的乙酰CoA或者是其它代谢途径（如脂肪酸或氨基酸的分解代谢途径）产生的乙酰CoA可以通过三羧酸循环氧化，三羧酸循环涉及八步酶促反应。07第七章糖代谢07第七章糖代谢07第七章糖代谢07第七章糖代谢柠檬酸合成酶顺乌头酸酶异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶α-酮戊二酸脱氢酶系琥珀酰CoA合成酶琥珀酸脱氢酶延胡索酸酶苹果酸脱氢酶07第七章糖代谢07第七章糖代谢07第七章糖代谢

在详细讨论8个具体反应之前，我们先关注一下柠檬酸循环的两个基本特征，即碳原子的流向和富含能量分子的生成。柠檬酸循环的第一个反应是乙酰CoA分子中的二碳乙酰基与四碳分子草酰乙酸缩合形成六碳的中间产物柠檬酸，当一个六碳酸和一个五碳酸经过氧化脱羧释放出两分子CO2后，形成的四碳酸经过几步反应后又重新转换为草酰乙酸，用于下一轮与新进入循环的乙酰CoA的缩合反应。由于草酰乙酸可以再生，所以柠檬酸循环可以看作是一个催化多步反应的催化剂，使得乙酰CoA中的二碳单位乙酰基氧化成CO2，每完成一轮反应后又回到起始点。07第七章糖代谢(1)柠檬酸合成酶催化乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸

这是柠檬酸循环的第一个反应，乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸和CoASH，反应是由柠檬酸合成酶（citratesynthase）（也称柠檬酸缩合酶）催化的。该步反应基本上是不可逆的。07第七章糖代谢(2)顺乌头酸酶催化前手性分子柠檬酸转化成手性分子异柠檬酸

柠檬酸是个三级醇，不能被氧化为酮酸，顺乌头酸酶（aconitase）把柠檬酸转化为可氧化的二级醇异柠檬酸（isocitrate），酶的名称来自与酶结合的反应中间产物顺乌头酸（cis-aconitate）。

柠檬酸由顺乌头酸酶催化脱水，形成C＝C双键，然后还是在顺乌头酸酶催化下，通过水的立体特异性添加，生成异柠檬酸。07第七章糖代谢

顺乌头酸酶含有一个共价结合的铁-硫辅基，这个辅基既结合柠檬酸C-3上的COO－，又结合C-3上的OH，协助酶使柠檬酸正确地定位在酶上，柠檬酸正确定位在顺乌头酸酶的活性部位是立体特异反应所必需的。

柠檬酸是个前手性分子，就是说它有一个带有3种类型取代基团的C原子（Caacd），只要用第4种类型取代基团取代两个同等类型中的一个就可以将前手性分子柠檬酸转化成手性分子异柠檬酸（Cabcd），在异柠檬酸分子中产生了两个手性中心。07第七章糖代谢

这是一个很难解释的酶作用机制。当Krebs提出柠檬酸循环时，由柠檬酸到异柠檬酸的反应成了人们接受该循环的主要障碍，因为同位素标记表明，细胞内只生成了异柠檬酸的一种异构体。按理说柠檬酸分子是个对称分子，人们认为顺乌头酸酶向两端碳移动羟基的几率是相等的，可以生成异柠檬酸的两种异构体。直至1948年AlexanderOgston给出了一种解释，即酶分子中的不对称活性部位能够区分柠檬酸分子上两个化学上等价的基团，Ogston认为柠檬酸是以三点附着的方式与酶的不对称活性部位结合的，这三点是柠檬酸的三个非等同基团。一旦柠檬酸与酶的不对称活性部位结合，柠檬酸的两个-CH2COO－基团就有了特定的取向，它们也就不再等价了（下图）。表明顺乌头酸酶能识别柠檬酸的“上半部分和下半部分”，柠檬酸虽然是一个对称分子，但却可以以不对称方式去反应，这类分子称之前手性分子，即分子两半彼此呈镜象关系。07第七章糖代谢07第七章糖代谢

非洲的南部有一种植物（Dichapetalumcymosum）可以产生出氟乙酸（fluoroacetate），氟乙酸有剧毒，在细胞内它可以转化为氟乙酰CoA，氟乙酰CoA在柠檬酸合成酶的催化下又可与草酰乙酸缩合生成氟柠檬酸。氟柠檬酸类似于柠檬酸，是顺乌头酸酶的一个很强的抑制剂，所以氟乙酸会终止经柠檬酸循环的有氧代谢。以前人们常利用氟乙酸这一致死特性将氟乙酸作成灭鼠药。07第七章糖代谢（3）异柠檬酸脱氢酶催化异柠檬酸氧化生成

-酮戊二酸和CO2

这一步反应是柠檬酸循环中四个氧化还原反应的第一个，是由异柠檬酸脱氢酶（isocitratedehydrogenase）催化的。NAD＋作为酶的辅酶。异柠檬酸脱氢使NAD＋还原为NADH＋H＋的同时生成一个不稳定的β-酮酸草酰琥珀酸，草酰琥珀酸经非酶催化的β脱羧作用生成

-酮戊二酸和CO2。07第七章糖代谢

（4）

-酮戊二酸脱氢酶复合物催化

-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA

-酮戊二酸的氧化脱羧反应非常类似丙酮酸脱氢酶复合物催化的反应。不可逆。反应是由

-酮戊二酸脱氢酶复合物（

-ketoglutaratedehydrogenasecomplex）催化的，产物琥珀酰CoA同样是一个高能的硫酯。这步反应是柠檬酸循环中第二个氧化还原反应。

-酮戊二酸脱氢酶复合物类似于丙酮酸脱氢酶复合物，涉及同样的辅酶，反应机制也很类似。

-酮戊二酸脱氢酶复合物包括

-酮戊二酸脱氢酶（

-ketoglutaratedehydrogenase）（E1，含有TPP），二氢硫辛酰胺琥珀酰转移酶（dihydrolipoamidesuccinyltransferase）（E2，含有硫辛酰胺），和二氢硫辛酰胺脱氢酶（dihydrolipoamidedehydrogenase）（E2，含有黄素蛋白）。07第七章糖代谢

循环进行到

-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA这步反应为止，被氧化的碳原子数目（生成了两个CO2）刚好等于进入柠檬酸合成酶催化的反应的碳原子数（乙酰CoA分子中乙酰基的两个碳）。在循环的后4个反应中，琥珀酰CoA的四碳琥珀酰基被转换回草酰乙酸。07第七章糖代谢（5）琥珀酰CoA合成酶催化底物水平磷酸化

琥珀酰CoA合成酶（succinatedehydrogenase）（或称琥珀酸硫激酶）催化琥珀酰CoA转化为琥珀酸，琥珀酰CoA的硫酯键水解会释放出很多的自由能，这些能量可用于驱动GTP或ATP的合成，在哺乳动物中合成的是GTP，而在植物和一些细菌中合成的是ATP。这个反应类似于酵解中的甘油磷酸激酶和丙酮酸激酶催化的反应，是柠檬酸循环中唯一的一步底物水平磷酸化反应。GTP的

-磷酰基通过核苷二磷酸激酶可以被转移到ADP上生成ATP。07第七章糖代谢07第七章糖代谢（6）琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸这是柠檬酸循环中的第三步氧化还原反应，带有辅基FAD的琥珀酸脱氢酶（succinatedehydrogenase）催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸（反丁烯二酸），同时使FAD还原为FADH2，生成的FADH2再被辅酶Q氧化生成FAD，而辅酶Q还原为还原型辅酶Q（QH2），QH2被释放到线粒体的基质中。真核生物琥珀酸脱氢酶内嵌在线粒体内膜中，柠檬酸循环的其它成员都位于线粒体基质中；在原核生物中，该酶内嵌在质膜中，三羧酸循环的其它成员位于胞液中。07第七章糖代谢07第七章糖代谢

底物类似物丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。丙二酸结构类似于琥珀酸，也是个二羧酸，可以与琥珀酸脱氢酶的活性部位的碱性氨基酸残基结合，但由于丙二酸不能被氧化，使得循环反应不能继续进行。所以在分离的线粒体和细胞匀浆液中加入丙二酸后，会引起琥珀酸、

-酮戊二酸和柠檬酸的堆积，这是研究三羧酸循环反应顺序的早期证据。07第七章糖代谢（7）延胡索酸酶催化延胡索酸水化生成L-苹果酸

延胡索酸酶（fumarase）（延胡索酸水化酶（fumaratehydratase））通过将H2Otrans立体特异添加到延胡索酸双键上，催化延胡索酸水化生成L-苹果酸，反应是可逆的。延胡索酸也象柠檬酸一样是一个前手性分子，当延胡索酸被定位在酶的活性部位时，底物的双键只受到来自一个方向的攻击。07第七章糖代谢（8）苹果酸脱氢酶催化苹果酸氧化重新形成草酰乙酸，完成一轮三羧酸循环

这是柠檬酸循环的最后一个反应，也是循环中的第4步氧化还原反应。L-苹果酸在以NAD＋为辅酶的苹果酸脱氢酶（malatedehydrogenase）催化下氧化生成草酰乙酸，同时NAD＋还原生成NADH反应是可逆的。07第七章糖代谢在三羧酸循环的总反应中，对于进入循环的每个乙酰CoA都可以产生3分子NADH、1分子FADH2和1分子的GTP或ATP。乙酰CoA＋3NAD＋＋FAD＋GDP（或ADP）＋Pi

+2H2O→CoASH＋3NADH＋3H＋＋FADH2＋GTP（或ATP）＋2CO2

3.三羧酸循环产生的还原型辅酶成了通过氧化磷酸化生成ATP的燃料07第七章糖代谢NADH和FADH2通过位于线粒体内膜的电子传递链可以被氧化，伴随着氧化过程可以通过氧化磷酸化生成ATP。就象我们将在氧化磷酸化一章看到的那样，通过电子传递和氧化磷酸化每一分子的NADH被氧化为NAD＋时可以生成3分子ATP；而一分子FADH2被氧化为FAD时可以产生2分子ATP，因此一分子乙酰CoA通过三羧酸循环和氧化磷酸化可以产生12分子ATP。

三羧酸循环是糖、脂肪、氨基酸降解产生的乙酰CoA的最后氧化阶段，如果将酵解阶段也考虑在内，一分子葡萄糖的降解可以产生多少ATP呢？一分子葡萄糖经酵解可以净产生2分子ATP和2分子丙酮酸，而2分子丙酮酸转化为2分子乙酰CoA可生成2分子NADH，经氧化磷酸化可产生6分子ATP，2分子乙酰CoA经三羧酸循环可生成24分子ATP，所以共产生32分子ATP。07第七章糖代谢

上面的计算还没有计算酵解中甘油醛脱氢酶催化的反应中生成的2分子NADH。在缺氧条件下，丙酮酸转化为乳酸时，NADH再氧化为NAD＋，可使得酵解连续地进行。在有氧条件下，NADH不再氧化，而用于生产ATP。由于这两个NADH位于胞液里（酵解是在胞液里进行的），而真核生物中的电子传递链是位于线粒体。两个NADH可以通过苹果酸穿梭途径和甘油磷酸途径两种穿梭途径进入线粒体，绝大多数的情况下，都是经过苹果酸穿梭途径进入线粒体的。一分子NADH经苹果酸穿梭途径进入线粒体可以产生3分子ATP，即2分子NADH可以产生6分子ATP；一分子NADH经甘油磷酸途径可以产生2分子ATP，2分子NADH产生4分子ATP。一分子葡萄糖降解考虑到酵解生成的2分子NADH时，它产生的总的ATP数量是38个或36个。07第七章糖代谢07第七章糖代谢三羧酸循环的8个反应可写成一个化学平衡方程，总反应式为：乙酰辅酶A+2H2O+3NAD++FAD+GDP+Pi→2CO2+3NADH+3H++FADH2+CoA-SH+GTP▲三羧酸循环反应要点：（1）两碳片段（乙酰辅酶A）与4碳受体（草酰乙酸）结合形成柠檬酸。（2）当柠檬酸进一步代谢时，以CO2形式失去两个碳。（3）有4个氧化反应，3个用NAD+作辅酶，一个用FAD作辅酶。（4）只有一个反应直接产生高能磷酸化合物。（5）草酰乙酸再产生，以进行下一轮循环。在动物体积中，琥珀酰CoA合成酶反应形成的GTP在能量上与ATP相等。在后面的讨论将用ATP代替GTP。07第七章糖代谢

如果考虑丙酮酸脱氢酶的反应，考虑到每分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，葡萄糖通过酵解和三羧酸循环的分解代谢方程式为：葡萄糖+6H2O+10NAD++2FAD+4ADP+4Pi→6CO2+10NADH+10H++2FADH2+4ATP到此为止，每摩尔葡萄糖在这个方程式中只产生4摩尔ATP。在酵解部分产生的ATP是2摩尔。葡萄糖氧化产生的ATP大多数不是直接从酵解和三羧酸循环产生的，而是通过还原的电子载体在呼吸链中再氧化产生的。07第七章糖代谢t三羧酸循环和氧化磷酸化所生成的ATPADPATP07第七章糖代谢每一轮三羧酸循环由琥珀酰CoA合成酶催化的反应产生一分子GTP，GTP可产生ATP。共有4个脱氢反应，其中有3对电子经NADH进入电子传递链，最后传递给氧生成H2O，每对电子产生3分子ATP，3对电子共产生9分子ATP。一对电子经FADH2进入电子传递链，可产生2分子ATP。每一轮循环共产生1+9+2=12分子ATP。若从丙酮酸脱氢酶的反应开始计算，共产生15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6或8+2X15=36或38个ATP分子。▲葡萄糖完全氧化产生的ATP：07第七章糖代谢每摩尔葡萄糖完全氧化产生的ATP摩尔数222207第七章糖代谢葡萄糖氧化的△G0′是-2870kJ/mol,ATP水解的△G0′是-30.5kJ/mol。

葡萄糖完全氧化能量的利用效率为40%（38x30.5/2870）。在标准条件下测定的值很可能要比在体内低。糖、脂肪和某些氨基酸代谢最终产生乙酰CoA，通过三羧酸循环彻底氧化成CO2。通过三羧酸循环进行氧化是体内最主要的产生ATP的途径，在生物进化中保存下来。07第七章糖代谢07第七章糖代谢

1）丙酮酸脱氢酶复合物的调节前面已经提到丙酮酸脱氢酶复合物催化的反应并不真正属于柠檬酸循环，但对于葡萄糖来说却是进入柠檬酸循环的必经之路。丙酮酸脱氢酶复合物存在别构和共价修饰两种调控机制。乙酰CoA和NADH是丙酮酸脱氢酶复合物的抑制剂，当乙酰CoA浓度高时抑制二氢硫辛酸乙酰转移酶（E2），高浓度的NADH也抑制二氢硫辛酸脱氢酶（E3），NAD＋和CoASH则是丙酮酸脱氢酶复合物的激活剂。另外丙酮酸脱氢酶复合物还受到共价调节，丙酮酸脱氢酶激酶催化复合物中的丙酮酸脱氢酶（E1）磷酸化，导致该酶复合物失去活性，而丙酮酸脱氢酶磷酸酶催化脱磷酸，激活丙酮酸复合物。4.三羧酸循环受到严密的调控07第七章糖代谢（2）三羧酸循环中的调节部位

在三羧酸循环中存在着2个不可逆反应，可能是潜在的调节部位，它们分别是由柠檬酸合成酶和

-酮戊二酸脱氢酶催化的反应。柠檬酸合成酶催化三羧酸循环中的第一步反应，似乎是最合适的调控部位，但该酶的调控机制现在还没有确定，在体外实验中，ATP抑制该酶，但在体内的抑制机制并没有确定，所以有人认为ATP可能不是一个生理调节剂。07第七章糖代谢

哺乳动物的异柠檬酸脱氢酶受到Ca2＋和ADP的别构激活，而受到NADH的抑制。但在原核生物中，这个酶在蛋白激酶作用下，酶中的Ser残基磷酸化，结果使酶完全失活，有趣的是同样的蛋白激酶分子中的另一个结构域具有磷酸酶活性，可以催化磷酸Ser的去磷酸，重新激活异柠檬酸脱氢酶。异柠檬酸、草酰乙酸、丙酮酸和酵解的中间代谢物3-磷酸甘油酸别构激活该蛋白分子的磷酸酶活性，而抑制它的激酶活性。07第七章糖代谢

-酮戊二酸脱氢酶复合物催化的反应类似于丙酮酸脱氢酶复合物催化的反应，两个复合物也很相似，但它们的调节特征却完全不同，

-酮戊二酸脱氢酶复合物的调节与激酶和磷酸酶没有关系，主要是Ca2+与复合物中的E1结合，降低了酶对

-酮戊二酸的Km值，导致琥珀酰CoA形成速度的增加。在体外实验中，NADH和琥珀酰CoA是

-酮戊二酸脱氢酶复合物的抑制剂，但是否在活细胞内具有重要的调节作用还没有确定。07第七章糖代谢07第七章糖代谢三羧酸循环的代谢调节三羧酸循环是生物合成的中间物的来源，又是产生代谢能量的通道。这个循环的调节在某种程度上比它作为能量产生的途径更复杂。与酵解类似，调节在底物的进入和循环中关键反应的控制这两种水平上进行。进入循环的起始物质是乙酰辅酶A。乙酰辅酶A可来自糖酵解产物丙酮酸的氧化脱羧反应，也可来自脂类的脂肪酸β-氧化和氨基酸的分解代谢。07第七章糖代谢

丙酮酸氧化的控制整个丙酮酸氧化脱羧反应过程只有第一步脱羧反应是不可逆的。由于从丙酮酸到乙酰CoA是一个处于代谢途径分枝点的重要步骤，丙酮酸脱氢酶反应体系受到严密的调控。丙酮酸脱氢酶复合体活力的控制包括变构抑制和共价修饰控制变构抑制(1）产物抑制：丙酮酸氧化脱羧的两个产物乙酰CoA和NADH都抑制丙酮酸脱氢酶复合体。二氢硫辛酸乙酰转移酶（E2）受乙酰CoA的抑制，被CoA-SH激活。二氢硫辛酸脱氢酶（E3）受NADH的抑制，被NAD+激活。07第七章糖代谢（2）核苷酸反馈调节：酶体系的活性由细胞的能荷所控制。ATP是酶复合体的变构抑制剂，AMP是活化剂。当细胞富有能量时，丙酮酸脱氢酶复合体活性降低。[ATP]+[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]12能荷=07第七章糖代谢共价修饰控制通过丙酮酸脱羧酶(E1)的磷酸化和脱磷酸化调节丙酮酸脱氢酶复合体的活力。07第七章糖代谢共价修饰控制共价修饰由细胞的能量状态控制。在有ATP时，丙酮酸脱羧酶分子上3个特殊的丝氨酸残基被丙酮酸脱羧酶激酶磷酸化时，即失去活性。细胞内ATP/ADP，乙酰CoA/CoA和NADH/NAD+的比值增高时，酶的磷酸化作用增加。丙酮酸抑制磷酸化作用。丙酮酸脱羧酶磷酸酶可水解除去丙酮酸脱羧酶上的磷酸基团，使酶再活化。丙酮酸脱羧酶磷酸酶受Mg2+和Ca2+的激活。胰岛素也可增加去磷酸化作用，增加丙酮酸氧化脱羧反应的速度。07第七章糖代谢ATP和ADP与Mg2+的亲和力不同，游离Mg2+的浓度反映了线粒体中ATP和ADP的比例。当ATP浓度高时，丙酮酸脱氢酶活力关闭，因为不需要进一步产生能量。ATP浓度低时，发出需要产生更多ATP的信号，酶复合体激活。丙酮酸脱羧酶激酶是丙酮酸脱氢酶复合体的内在组分。丙酮酸脱羧酶磷酸酶也是酶复合体的一个组分，但与复合体结合较松。

小结：丙酮酸脱氢酶复合体活性是由能荷，NAD+/NADH的比例，以及乙酰化的和自由的辅酶A比例来控制。07第七章糖代谢三羧酸循环的控制三羧酸循环的主要调控步骤和调节因子异柠檬酸脱氢酶柠檬酸合成酶α-酮戊二酸脱氢酶苹果酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶07第七章糖代谢▲三羧酸循环调节要点：●最重要的控制三羧酸循环的因子是线粒体内[NAD+]与[NADH]的比例。NAD+是三个参与循环的脱氢酶的底物，也是丙酮酸脱氢酶的底物。在电子传递受到抑制时，NAD+/NADH的比值减小。低浓度的NAD+抑制上述脱氢酶的活力。●在动物肝中，柠檬酸的量可有10倍的变化。柠檬酸浓度低时，柠檬酸合成酶催化的反应主要受底物浓度的控制。草酰乙酸的浓度在线粒体内很低，可以在底物水平上对柠檬酸合成酶的反应进行调节。●变构调节的主要位点是异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶催化的反应。异柠檬酸脱氢酶被ADP激活，被NADH抑制。α-酮戊二酸脱氢酶活力被琥珀酰辅酶A和NADH抑制。07第七章糖代谢小结：

—通过ADP对异柠檬酸脱氢酶的变构激活，三羧酸循环流量与细胞的能量状态相适应。

—通过线粒体内[NAD+]浓度降低时引起的流速减低，三羧酸循环流量与细胞的氧化还原状态相适应。

—通过乙酰辅酶A和琥珀酰辅酶A对有关酶的抑制，三羧酸循环流量与细胞内可利用富能化合物(energy-richcompounds)的量相适应。07第七章糖代谢07第七章糖代谢07第七章糖代谢

(1)是有机体获得生命活动所需能量的最主要途径。从糖有氧分解的能量计算中已知，每个葡萄糖分子仅通过三羧酸循环阶段<与电子传递链及氧化磷酸化相结合)就可产生24分子ATP，远远超过糖酵解阶段或葡萄糖无氧降解所产生的ATP数。此外，脂肪、氨基酸等其它有机物作为呼吸底物彻底氧化时所产生的能量主要也是通过三羧酸循环。因此，三羧酸循环是生物体获取能量的最主要的途径．5.三羧酸循环的生理意义：(2)是物质代谢的枢纽。前已提到，三羧酸循环具有双重作用。一方面，三羧酸循环是糖、脂肪和氨基酸等彻底分解的共同途径；另一方面，循环中生成的草酰乙酸，α-酮戊二酸，柠檬酸，琥珀酰coA和延胡索酸等又是合成糖，氨基酸，脂肪酸，卟啉等的原料。因而三羧酸循环具有将各种有机物代谢联系起来，成为物质代谢枢纽的作用。07第七章糖代谢07第七章糖代谢

(3)是发酵产物重新氧化的途径。细胞在无氧条件下发酵产生的乳酸)如在有氧时，可经脱氢氧化生成丙酮酸，转变成乙酰CoA后即可进入三羧酸循环.发酵产物重新氧化分解,使原来未释放的能量因此得到利用．

(4)影响果实品质的形成。一些果实品质的形成和改善与三羧酸循环有关．如循环中的柠檬酸、苹果酸是柑桔、苹果等果实中的重要成分，果实贮存期间，这些有机酸又作为呼吸底物首先被消耗，使果实由酸变甜(糖／酸比增大)，改善了果实的品质。07第七章糖代谢6.要点提示1）糖酵解是单糖分解代谢的共同途径。催化糖酵解的10个酶都位于细胞质中。每一个己糖可以转化为两分子的丙酮酸，同时净生成两分子ATP和两分子NADH。糖酵解分为两个阶段：己糖阶段（消耗ATP）和丙糖阶段（生成ATP）。07第七章糖代谢2）在酵解的己糖阶段，首先是葡萄糖在己糖激酶的催化下磷酸化生成葡萄糖-6-磷酸，消耗一分子ATP，然后经异构酶催化转换为果糖-6-磷酸，再经果糖激酶催化再次磷酸化生成果糖-1,6-二磷酸，又消耗一分子ATP；在丙糖阶段，果糖-1,6-二磷酸在醛缩酶催化下裂解生成磷酸二羟丙酮和甘油醛-3-磷酸（两个磷酸丙糖在异构酶催化下可以相互转换），后者在甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化下生成1,3-二磷酸甘油酸，同时使NAD＋还原为NADH，然后1,3-二磷酸甘油酸在甘油酸激酶催化的底物水平磷酸化反应中生成ATP和3-磷酸甘油酸，3-磷酸甘油酸经变位酶催化转换为2-磷酸甘油酸，再经烯醇化酶催化形成磷酸烯醇式丙酮酸，最后在丙酮酸激酶催化的又一次底物水平磷酸化反应中生成丙酮酸和ATP。07第七章糖代谢3）在厌氧条件下，通过丙酮酸的还原代谢使得NADH重新氧化为NAD＋。在酵母的酒精发酵过程中，在丙酮酸脱羧酶催化下丙酮酸氧化脱羧生成乙醛，然后乙醛在乙醇脱氢酶的催化下被还原为乙醇，同时使NADH氧化生成NAD＋。而在肌肉缺氧下的酵解过程中，乳酸脱氢酶催化丙酮酸转化为乳酸，同时也伴随着NADH重新氧化为NAD＋。4）在酵解途径中存在3个不可逆反应，是分别由己糖激酶、磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶催化的。这3个酶正是酵解途径的调节部位，调节涉及别构调节和共价修饰。07第七章糖代谢5）糖酵解和三羧酸循环之间的桥梁是丙酮酸脱氢酶复合物。在细胞质中酵解产生的丙酮酸被转运到线粒体基质中，在线粒体中丙酮酸在丙酮酸脱氢酶复合物催化下氧化生成乙酰CoA和CO2。丙酮酸脱氢酶复合物是由丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酰胺乙酰基转移酶和二氢硫辛酰胺脱氢酶组成的，同时还需要硫胺素焦磷酸、硫辛酰胺、CoASH、FAD和NAD＋等辅助因子。07第七章糖代谢6）三羧酸循环是发生在线粒体中的一系列反应，三羧酸循环由8步酶促反应组成。柠檬酸合成酶催化乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成三羧酸柠檬酸；顺乌头酸酶催化柠檬酸中的三级醇转化为二级醇，导致异柠檬酸的生成；然后在异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合物催化下连续进行氧化脱羧反应形成琥珀酰CoA，同时生成两分子NADH和两分子CO2；当琥珀酰CoA的硫酯键被切断形成琥珀酸和CoASH时，琥珀酰CoA合成酶同时催化GDP底物水平磷酸化生成GTP；琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化形成延胡索酸，同时生成一分子FADH2；然后延胡索酸水化生成苹果酸，最后苹果酸在苹果酸脱氢酶催化下生成草酰乙酸，又生成一分子NADH，完成了一轮三羧酸循环。07第七章糖代谢7）一分子乙酰CoA经三羧酸循环氧化，使得3分子NAD＋还原为NADH，一分子FAD还原为FADH2，同时由GDP和Pi生成了一分子的GTP。所以每一分子乙酰CoA经一轮三羧酸循环产生的还原型辅酶NADH和FADH2经电子传递和氧化磷酸化可以生成11分子ATP。一分子的葡萄糖经酵解、丙酮酸脱氢酶复合物，三羧酸循环以及电子传递和氧化磷酸化可以产生36分子或38分子ATP。07第七章糖代谢8）三羧酸循环中存在几个调节部位。丙酮酸脱氢酶复合物受到产物乙酰CoA和NADH的抑制和受到CoASH和NAD＋的激活，同时该酶复合物还受到共价修饰调节。异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合物受到别构调节。07第七章糖代谢9）乙醛酸循环是一个与三羧酸循环密切相关的途径，这一途径使得植物和某些微生物可以利用乙酰CoA生成用于糖异生和其它生物合成途径中的四碳中间产物。乙醛酸循环中涉及动物细胞中不存在的两个酶：异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶。异柠檬酸裂解酶催化异柠檬酸裂解为琥珀酸和乙醛酸，琥珀酸进入三羧酸循环，而乙醛酸在苹果酸合成酶的催化下与乙酰CoA缩合形成苹果酸，苹果酸可以作为葡萄糖合成的前体。07第七章糖代谢（三）乙醛酸循环1.植物中乙醛酸循环是三羧酸循环的支路

在后面将讲到，由非糖前体生成糖时需要丙酮酸或者草酰乙酸作为合成的前体。但在动物体内，乙酰CoA不能净合成丙酮酸或者草酰乙酸，所以乙酰CoA不能作为净合成葡萄糖的碳源。虽然乙酰CoA中的2个碳原子经柠檬酸循环可以整合到草酰乙酸的分子中，但实际上，每整合2个碳原子，而其它2个碳原子又以2个CO2分子通过三羧酸循环释放出去，所以没有净合成草酰乙酸。可是在植物、微生物和酵母中却存在着一个可以由2碳化合物生成糖的生物合成途径乙醛酸循环（glyoxylatecycle）。07第七章糖代谢07第七章糖代谢07第七章糖代谢乙醛酸循环的反应。由异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶催化的反应（红色）绕过了三羧酸循环中从异柠檬酸到苹果酸之间的5个反应。+乙醛酸07第七章糖代谢每一轮乙醛酸循环引入2个2碳片段，合成一个4碳的琥珀酸。这个循环发生在乙醛酸循环体上。生成乙酰辅酶A的脂肪酸β-氧化也发生在乙醛酸循环体上。在乙醛酸循环体产生的琥珀酸被运送到线粒体，转换成草酰乙酸。乙醛酸循环允许许多微生物进行二碳底物的代谢，如乙酸。大肠杆菌可以生长在以乙酸作为唯一碳源的培养基上。07第七章糖代谢与乙醛酸循环有关的细胞内的反应脂质体乙醛酸循环体线粒体胞浆糖异生琥珀酸07第七章糖代谢乙醛酸循环的名称来自循环中的一个2碳中间代谢物乙醛酸，乙醛酸循环可以说是柠檬酸循环的一个支路。如图所示，乙醛酸循环的一些反应与柠檬酸循环是共同的，例如从乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成柠檬酸，然后又转换成异柠檬酸的反应都是相同的。但生成的异柠檬酸不走柠檬酸循环的路了，而是沿着乙醛酸循环途径代谢。异柠檬酸首先在异柠檬酸裂解酶（isocitratelyase）的催化下裂解生成乙醛酸和琥珀酸，其中乙醛酸在苹果酸合成酶（malatesynthase）的催化下与乙酰CoA缩合生成4碳分子苹果酸，而琥珀酸走的是部分柠檬酸循环的路，氧化生成延胡索酸，直至转换成草酰乙酸，用于维持循环中间代谢物的浓度。07第七章糖代谢2CH3CO-SCoA+2H2O+NAD+----→CH2-COO-

+2CoASH+NADH+H+CH2-COO-从总反应式可以看出，在乙醛酸循环中乙酰CoA中的碳原子并没有以CO2形式释放，而是净合成了一分子草酰乙酸，草酰乙酸正是合成葡萄糖的前体。所以乙醛酸循环在植物、微生物和酵母等生物的代谢中起着重要的作用。例如酵母可以在乙醇中生长，因为酵母细胞可以将乙醇氧化成乙酰CoA，乙酰CoA经乙醛酸循环能生成草酰乙酸。同样一些微生物可以在乙酸中生长也是由于这些微生物可以通过乙醛酸循环合成糖的前体。乙醛酸循环的总反应式是：07第七章糖代谢(1)可以二碳物为起始物合成三羧酸循环中的二羧酸与三羧酸，只需少量四碳二羧酸作“引物”，便可无限制地转变成四碳物和六碳物，作为三羧酸循环上化合物的补充。(2)由于丙酮酸的氧化脱羧生成乙酰辅酶A是不可逆反应，在一般生理情况下，依靠脂肪大量合成糖是较困难的。但在植物和微生物内则发现脂肪转变为糖是通过乙醛酸循环途径进行的。特别是适应油料种子萌发时的物质转化。两个乙酰辅酶A合成一个苹果酸，氧化变成草酰乙酸后，脱羧生成丙酮酸可合成糖。目前在动物组织中尚未发现乙醛酸循环。2、乙醛酸循环的生物学意义:07第七章糖代谢（四）磷酸戊糖途径07第七章糖代谢磷酸戊糖途径在代谢总图中的位置07第七章糖代谢葡萄糖分解代谢的最主要途径是产生丙酮酸的酵解，和最终氧化成CO2的三羧酸循环。磷酸戊糖途径是一个变换途径，在不同组织中有不同程度的应用。这个途径的主要作用是合成而不是分解，但是它确实在葡萄糖氧化中起作用，在某些情况下可将葡萄糖完全氧化成CO2和H2O。07第七章糖代谢1.磷酸戊糖途径的鉴定（1）在组织中加入酵解抑制剂，如碘乙酸或氟化物等，葡萄糖仍可以被消耗，证明葡萄糖还有酵解以外的其他代谢途径。（2）用同位素14C分别标记葡萄糖C1和C6，如果糖酵解是唯一代谢途径，则14C1和14C6生成14CO2的速度相等。而实验结果表明，14C1更容易氧化成14CO2。根据上述实验，Racker等人发现了糖代谢的磷酸戊糖途径。07第七章糖代谢2.戊糖磷酸途径能提供核糖-5-磷酸和NADPH

戊糖磷酸途径（pentosephosphatepathway）也称之己糖磷酸支路（hexosephosphateshunt）（图10.1），这个途径的主要用途是提供重要代谢物核糖-5-磷酸和NADPH。产生的核糖-5-磷酸主要用于核酸的生物合成；而NADPH是以还原力形式存在的化学能的一个载体，主要用于需要还原力的生物合成中。所以戊糖磷酸途径在生物合成脂肪酸、胆固醇的组织，例如乳腺、肝脏、肾上腺、脂肪等组织最活跃。催化戊糖磷酸途径的所有酶都存在于胞液中，因为胞液是许多需要NADPH的生物合成反应的场所。磷酸戊糖途径可以分为氧化阶段和非氧化阶段，在氧化反应阶段中，当葡萄糖-6-磷酸转换为五碳核酮糖-5-磷酸时，生成NADPH。07第七章糖代谢葡萄糖-6-磷酸＋2NADP+＋H2O-----→核酮糖-5-磷酸＋2NADPH＋2H＋＋CO2如果细胞需要大量的NADPH和核苷酸，则所有的核酮糖-5-磷酸都可异构化形成核糖-5-磷酸，戊糖磷酸途径就会终止于氧化阶段。通常需要的NADPH要比核糖-5-磷酸多，所以大多数核糖-5-磷酸都转换为糖酵解的中间产物。07第七章糖代谢07第七章糖代谢3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮醛缩酶1.6-二磷酸果糖1.6-二磷酸果糖酯酶6-磷酸果糖6666666666111122222222+26-磷酸葡萄糖507第七章糖代谢（1）氧化阶段的具体反应过程。磷酸戊糖途径氧化阶段的第一个反应是葡萄糖-6-磷酸脱氢转化成6-磷酸葡萄糖酸内酯的反应，反应由葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（glucose-6-phosphatedehydrogenase）催化，反应中NADP＋被还原生成NADPH。这步反应是整个戊糖磷酸途径的主要调节部位，葡萄糖-6-磷酸脱氢酶受NADPH的别构抑制，通过这一简单调节，戊糖磷酸途径可以自我限制NADPH的生产。氧化阶段的第二个酶是葡萄糖酸内酯酶（gluconolactonase），它催化6-磷酸葡萄糖酸内酯水解生成6-磷酸葡萄糖酸，最后6-磷酸葡萄糖酸在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶（6-phosphogluconatedehydrogenase）的作用下氧化脱羧生成核酮糖-5-磷酸、CO2和另一分子的NADPH。氧化阶段的最重要的功能是提供NADPH。07第七章糖代谢07第七章糖代谢（2）非氧化阶段。戊糖磷酸途径的非氧化阶段是一条转换途径，通过这个途径氧化阶段产生的核酮糖-5-磷酸转换为糖酵解的中间产物果糖-6-磷酸和甘油醛-3-磷酸。如果所有的戊糖磷酸都转换为酵解的中间产物，3分子的戊糖分子可以转换为2分子的己糖和1分子的丙糖。3核酮糖-5-磷酸――――→2果糖-6-磷酸＋甘油醛-3-磷酸07第七章糖代谢如图所示，在非氧化阶段，核酮糖-5-磷酸经差向异构酶和异构酶的催化下，转换为木酮糖-5-磷酸和核糖-5-磷酸；然后木酮糖-5-磷酸和核糖-5-磷酸经转酮酶（transketolase）催化形成7碳产物景天庚酮糖-7-磷酸和3碳产物甘油醛-3-磷酸；这两种产物再经转醛酶（transaldolase）催化转换为果糖-6-磷酸和赤藓糖-4-磷酸，生成的赤藓糖-4-磷酸再与另一分子的木酮糖-5-磷酸经转酮酶催化生成果糖-6-磷酸和甘油醛-3-磷酸。生成的果糖-6-磷酸和甘油醛-3-磷酸都是糖酵解的中间产物，可以进行分解代谢，也可以经糖异生途径生成葡萄糖。07第七章糖代谢07第七章糖代谢07第七章糖代谢（3）磷酸戊糖生成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛的总反应：磷酸戊糖途径需要投入3个磷酸戊糖。在总结这个途径时，要考虑有三个葡萄糖分子进入氧化阶段。36-磷酸葡萄糖+6NADP+→35-磷酸戊糖+6NADPH+6H++3CO2在非氧化阶段，35-磷酸戊糖→26-磷酸果糖+3-磷酸甘油醛整个途径的平衡方程式：36-磷酸葡萄糖+6NADP+→26-磷酸果糖+3CO2+3-磷酸甘油醛+6NADPH+6H+也可写成：66-磷酸己糖+12NADP+→56-磷酸己糖+6CO2+12NADPH+12H+07第七章糖代谢5-磷酸核酮糖5-磷酸木酮糖5-磷酸核糖7-磷酸景天庚酮糖3-磷酸甘油醛4-磷酸赤藓糖3-磷酸甘油醛6-6-磷酸葡萄糖脱氢酶磷酸戊糖途径氧化阶段非氧化阶段磷酸戊糖异构酶磷酸戊糖差象酶转酮酶07第七章糖代谢满足各种代谢需要的磷酸戊糖途径的模型磷酸戊糖的实际去路取决于细胞的代谢需要。

(a)Nucleotidesynthesis07第七章糖代谢

与磷酸戊糖途径中酶有关的疾病：（1）6-磷酸葡萄糖脱氢酶缺陷引起溶血性白血病，但可抵抗疟疾。因NADPH缺乏，不能保持还原型谷胱甘肽(GSH)的水平，进而引起高铁血红蛋白的累积。这种累积导致血红蛋白减少，进而使膜结构破坏，细胞结构改变，容易破碎和溶血。（2）Weinichet-Korsakoff综合症。这是一种神经疾病，导致丧失记忆，偏瘫。原因是转酮酶变异，导致对焦磷酸硫氨素的亲和力下降10倍。其他依赖TPP的酶，如丙酮酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶与TPP结合活力不受影响。当TPP的量下降到低于饱和正常转酮酶的水平，症状开始明显。正常人的转酮酶可与TPP紧密结合，可减缓TPP缺失的影响。07第七章糖代谢（1）6-磷酸葡萄糖脱氢酶在肝的各种戊糖途径的酶中活性最低，是磷酸戊糖途径的限速酶，催化不可逆反应。它的活性受NADP+/NADPH比例的调节。NADPH竞争性抑制6-磷酸葡萄糖脱氢酶及6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的活性。机体内NAD+/NADH比NADP+/NADPH的比值高几个数量级，前者为700，后者为0.014，这使NADPH可以进行有效的反馈抑制调控。只有NADPH在脂肪生物合成中被消耗时才解除抑制，再通过6-磷酸葡萄糖脱氢酶产生出NADPH。（2）非氧化阶段戊糖的转变主要受控于底物浓度。5-磷酸核糖过多时，可转化成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛进入酵解。3.磷酸戊糖途径代谢的调节07第七章糖代谢●磷酸戊糖途径的主要作用是合成而不是分解，但在某些情况下可将葡萄糖完全氧化成CO2和H2O。磷酸戊糖途径的5种生物功能中最主要的是为脂肪酸、固醇类物质的生物合成提供NADPH和为核苷酸和核酸生物合成提供5-磷酸核糖。●磷酸戊糖途径可分为氧化阶段和非氧化阶段。氧化阶段产生NADPH和5-磷酸核酮糖。非氧化阶段产生5-磷酸核糖和5-磷酸木酮糖。这些磷酸戊糖经过分子重排，产生不同碳链长度的磷酸单糖。●整个途径的平衡方程式可写成：

66-磷酸葡萄糖+12NADP++7H2O→

56-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H++H3PO4小结（磷