糖是有机体重要的能源和碳源糖代谢包括糖的合成与糖的

糖是有机体重要的能源和碳源糖代谢包括糖的合成与糖的 第四章 糖代谢 糖是有机体重要的能源和碳源。糖代谢包括糖的合成与糖的分解两方面。糖的最终来源都是植物或光合细菌通过光合作用将CO2和水同化成葡萄糖。除此之外糖的合成途径还包括糖的异生—非糖物质转化成糖的途径。在植物和动物体内葡萄糖可以进一步合成寡糖和多糖作为储能物质(如蔗糖、淀粉和糖元),或者构成植物或细菌的细胞壁(如纤维素和肽聚糖)。 在生物体内，糖(主要是葡萄糖)的降解是生命活动所需能量(如ATP)的来源。生物体从碳水化合物中获得能量大致分成三个阶段:在第一阶段，大分子糖变成小分子糖，如淀粉、糖元等变成葡萄糖;在第二阶段，葡萄糖通过糖酵解(糖的共同分解途径)降解为丙酮酸，丙酮酸再转变为活化的酰基载体—乙酰辅酶A;在第三阶段，乙酰辅酶A通过三羧酸循环(糖的最后氧化途径)彻底氧化成CO2，当电子传递给最终的电子受体O2时生成ATP。这是动物、植物和微生物获得能量以维持生存的共同途径。糖的中间代谢还包括磷酸戊糖途径、乙醛酸途径等。 第一节 新陈代谢概论 一、新陈代谢的意义 新陈代谢是生物最基本的特征之一。新陈代谢是指生物活体与外界环境不断交换物质的过程。机体从外界摄取营养物质，转化为机体自身需要的物质称为同化作用，是由小分子合成生物大分子，需要能量;而机体自身原有的物质的分解、排泄称为异化作用，是由生物大分子降解为生物小分子，最后分解成CO2和H2O，释放能量。异化作用释放的能量可供机体生理活动的需要。同化作用为异化作用提供物质基础，异化作用为同化作用提供能量基础。同化作用和异化作用是既对立又统一的矛盾的两个方面，两者相互联系、相互制约，互为基础。 生物机体的同化作用和异化作用都包含着一系列逐步进行的合成与分解的反应，称之为中间代谢反应。能量的释放与供应是逐步进行的，也是由许多中间代谢反应组成的。 机体与外界环境进行物质交换的过程称为物质代谢。在物质交换中伴随着能量的交换，也称为能量代谢。植物通过光合作用将太阳的光能转变为糖的化学能。当糖在体内进行分解代谢时，再将化学能释放出来，用于合成代谢，也可转变为机械能、光能、电能等各种形式的能，以满足生命活动的需要。同化作用和异化作用、物质代谢和能量代谢的相互关系可用图解表示如下: 生物小分子合成为生物大分子 合成代谢 (同化作用)需要能量能量代谢物质代谢新陈代谢释放能量 分解代谢 (异化作用)生物大分子分解为生物小分子 143 各种生物的新陈代谢过程虽然复 杂，却有共同的特点:绝大多数 新陈代谢反应是在温和的条件下 进行的;新陈代谢的一系列中间 反应相互配合、有条不紊、彼此 协调，又具有严格的顺序性;三 大营养物质(糖、脂类、蛋白质) 的分解具有共同途径，三者均先 转化为丙酮酸，再经三羧酸循环 氧化成CO2和水(见图6-1);具有 高度的适应性和灵敏性的自动调 节控制体系以适应内外条件的变 化。 图6-1 生物获得能量的三个阶段 第二节 双糖和多糖的酶促降解 一、蔗糖、麦芽糖和乳糖的酶促降解 (1)蔗糖的水解 蔗糖的水解主要通过转化酶的作用，转化酶又称蔗糖酶(sucrase)，它广泛存在于植物体内。所有的转化酶都是β-果糖苷酶。其作用如下: 转化酶 蔗糖，H2O????? 葡萄糖，果糖 以上反应是不可逆的，因为蔗糖水解时放出大量的热能。 (2)乳糖的水解 乳糖的水解由乳糖酶(又称为β-半乳糖苷酶)催化，生成半乳糖和葡萄糖: 乳糖酶 乳糖，H2O ????? 半乳糖，葡萄糖 (3)麦芽糖的水解 由麦芽糖酶催化1分子麦芽糖水解生成2分子葡萄糖: 麦芽糖酶 麦芽糖，H2O ????? 2葡萄糖 二、淀粉(糖元)的酶促降解 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，动物的消化或植物种子萌发时就是利用这一途径使多糖降解成糊精、麦芽糖、异麦芽糖和葡萄糖。其中的麦芽糖和异麦芽糖又可被麦芽糖酶和异麦芽糖酶降解生成葡萄糖。葡萄糖进入细胞后被磷酸化并经糖酵解作用降解。淀粉的另一个降解途径为磷酸降解过程。 l(淀粉的水解 催化淀粉水解的酶称为淀粉酶(amylase)它又可分两种:一种称为144 α-1,4-葡聚糖水解酶，又称为α-淀粉酶(α-amylase)，是一种内淀粉酶(endoamy-lase)，能以一种无的方式水解直链淀粉(amylose)内部的键，生成葡萄糖与麦芽糖的混合物，如果底物是支链淀粉(amylopectin)，则水解产物中含有支链和非支链的寡聚糖类的混合物，其中存在α-l,6键。第二种水解酶称为 α-1,4-葡聚糖基-麦芽糖基水解酶，又称为β-淀粉酶，是一种外淀粉酶(exoamylase)，它作用于多糖的非还原性末端而生成麦芽糖，所以当β-淀粉酶作用于直链淀粉时能生成定量的麦芽糖。当底物为分支的支链淀粉或糖元时，则生成的产物为麦芽糖和多分枝糊精，因为此酶仅能作用于α-l,4键而不能作用于α-l,6键。淀粉酶在动物、植物及微生物中均存在。在动物中主要在消化液(唾液及胰液)中存在。图6-2为α-淀粉酶及β-淀粉酶水解支链淀粉的示意图。 α-淀粉酶仅在发芽的种子 中存在，如大麦发芽后，则α- 淀粉酶及β-淀粉酶均有存在。在 pH值3.3时，α-淀粉酶就被破 坏，但它能耐高温，温度高达 70?(约15 min)仍稳定 。而β- 淀粉酶主要存在于休眠的种子 中，在70?高温时容易破坏，但 对酸比较稳定，在 pH值3.3时 仍不被破坏，所以利用高温或调 节pH值的方法可以将这两种淀 粉酶分开。这两种淀粉酶现在都 能制成结晶。α-淀粉酶和β-淀 粉酶中的α与β，并非表示其作 用于α或β糖苷键，而只是用来 标明两种不同的水解淀粉的酶。 由于α-淀粉酶和β-淀粉酶只能 水解淀粉的α-1,4键，因此只能 使支链淀粉水解54,,55,，剩 图6-3 糖原降解步骤 下的分支组成了一个淀粉酶不能 作用的糊精，称为极限糊精。 极限糊精中的α-1,6键可被R酶水解，R酶又称脱支酶，脱支酶仅能分解支链淀粉外围的分支，不能分解支链淀粉内部的分支，只有与β-淀粉酶共同作用才能将支链淀粉完全降解，生成麦芽糖和葡萄糖。麦芽糖被麦芽糖酶水解生成葡萄糖，进一步被植物利用。 2(淀粉的磷酸解 (l)α-l,4键的降解 淀粉的磷酸解是在淀粉磷酸化酶的催化下，用磷酸代替水，将淀粉降解生成 l-磷酸葡萄糖的作用。 淀粉磷酸解的好处是:生成的产物l-磷酸葡萄糖不能扩散到细胞外，可直接进入糖酵解途径，节省了能量;而淀粉的水解产物葡萄糖，能进行扩散，但还必须经过磷酸化消耗 145 一个 ATP才能进入糖酵解途径。 淀粉磷酸解步骤可表示如下: 淀粉 ?淀粉磷酸化酶 1-磷酸葡萄糖 ?磷酸葡萄糖变位酶 6-磷酸葡萄糖 ?6-磷酸葡萄糖脂酶 葡萄糖，Pi (2)α-l,6支链的降解 α-淀粉酶、β-淀粉酶和淀粉磷酸化酶只能水解淀粉(或糖原)的α-1,4键，不能水解α-1,6键。由图6-3可见，磷酸化酶将一个分支上的5个α-l,4糖苷键和另一个分支上的3个α-l,4糖苷键水解，至末端残基a和d处即停止，此时需要一个转移酶，将一个分支上的3个糖残基(abc)转移到另一个分支上，在糖残基c与d之间形成一个新的α-1,4键，然后在α-l,6糖苷酶的作用下，水解z与 h之间的α-1,6糖苷键，从而将一个具有分支结构的糖原转变成为线型的直链结构，后者可被磷酸化酶继续分解。因此，淀粉(或糖原)降解生成葡萄糖是几种酶相互配合进行催化反应的结果。 三、细胞壁多糖的酶促降解 1(纤维素的降解 纤维素酶可使纤维素分子的β-1,4键发生水解，生成纤维二糖，在纤维二糖酶的作用下，最后分解为β-葡萄糖，反应过程如下: 纤维素酶 纤维二糖酶 纤维素???????纤维二糖????????β-葡萄糖 纤维素的分解在高等植物体内很少发生，只是在少数发芽的种子及其幼苗(如大麦、菠菜、玉米等)内发现有纤维素酶的分解作用。但在许多微生物体内(如细菌、霉菌)都含有分解纤维素的酶。 2(果胶的降解 果胶酶是植物体中催化果胶物质水解的酶。果胶酶按其所水解的键，可分两种:一种称果胶甲酯酶[(pectinesterase) (PE)]或果胶酶;另一种是半乳糖醛酸酶[(Polygalacturonase) (CPG)]。果胶甲脂酶水解果胶酸的甲酯，生成果胶酸和甲醇: 果胶甲酯酶 果胶????????果胶酸十甲醇 半乳糖醛酸酶水解聚半乳糖醛酸之间的α-1,4糖苷键，生成半乳糖醛酸。 植物体内一些生理现象与果胶酶的作用有关，如叶柄离层的形成就是果胶酶分解胞间层的果胶质使细胞相互分离以致叶片脱落;果实成熟时，由于果胶酶的作用使果肉细胞分离，果肉变软;植物感病后，病原菌分泌果胶酶将寄主细胞分离而侵入植物体内。………. 146 第三节 糖酵解 糖酵解的概念 糖酵解(glycolysis)是葡萄糖在不需氧的条件下分解成丙酮酸，并同时生成ATP的过程。糖酵解途径几乎是具有细胞结构的所有生物所共有的葡萄糖降解的途径，它最初是从研究酵母的酒精发酵发现的，故名糖酵解。整个糖酵解过程是1940年得到阐明的。为纪念在这方面贡献较大的三位生化学家，也称糖酵解过程为 Embden-Meyerhof-Parnas途径(简称 EMP途径)。 二、糖酵解的生化历程 糖酵解过程是在细胞液(cytosol)中进行的，不论有氧还是无氧条件均能发生，其过程如图6-4所示。 糖酵解全部过程从葡萄糖或淀粉开始，分别包括12或13个步骤，为了叙述方便，划分为四个阶段: 1(由葡萄糖形成 l,6-二磷酸果糖(反应?,?) ?葡萄糖在己糖激酶的催化下，被ATP磷酸化，生成6-磷酸葡萄糖。磷酸基团的转移在生物化学中是一个基本反应。催化磷酸基团从ATP转移到受体上的酶称为激酶(kinase)。己糖激酶是催化从ATP转移磷酸基团至各种六碳糖(葡萄糖、果糖)上去的酶。激酶都需要2+Mg离子作为辅助因子。 CHOCHOH P22己糖激酶oo+ATP+ADPOHOH2+ MgOHOHOHOHOHOH 葡萄糖6-磷酸葡萄糖 ” ΔG = -16.72kJ ?6-磷酸葡萄糖在磷酸己糖异构酶的催化下，转化为6-磷酸果糖。 CHO P2P OCHCHOH2oO2磷酸己糖异构酶HOHOOHOHOHOHOH 6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖 ?6-磷酸果糖在磷酸果糖激酶的催化下，被ATP磷酸化，生成 l,6-二磷酸果糖。磷酸果糖激酶是一种变构酶，EMP的进程受这个酶活性水平的调控。 P OCHCHOH22CHP OCHO P22OO磷酸果糖激酶HO+ ATP+ ADPHO2+MgOHOHOHOH 6-磷酸果糖1,6-二磷酸果糖 147 2(磷酸丙糖的生成(反应?,?) ?在醛缩酶的催化下，l,6-二磷酸果糖分子在第三与第四碳原子之间断裂为两个三碳化合物，即磷酸二羟丙酮与3-磷酸甘油醛。此反应的逆反应为醇醛缩合反应，故此酶称为醛缩酶。 PCHOCHOP22 磷酸二羟丙酮 C COO HOCH CHOH醛缩酶2 +HCOH CHOHCOH3-磷酸甘油醛HCOHCHOP2 CHOP21，6-二磷酸果糖 ? 在磷酸丙糖异构酶的催化下，两个互为同分异构体的磷酸三碳糖之间有同分异构的互变。这个反应进行得极快并且是可逆的。当平衡时，96,为磷酸二羟丙酮。但在正常进行 着的酶解系统里，由于下一步反应的影响，平衡易向生成 3-磷酸甘油醛的方向移动。 CHOPCHO2磷酸丙糖异构酶 COHCOH OCHPOH2 CH2 3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮 3(3-磷酸甘油醛氧化并转变成2-磷酸甘油酸(反应?,?) 在此阶段有两步产生能量的反应，释放的能量可由 ADP转变成 ATP贮存。 ?3-磷酸甘油醛氧化为 1,3-二磷酸甘油酸，此反应由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化: OH COPCO3-磷酸甘油醛脱氢酶++HPO+NAD++ NADH +H34HCOHHCOH OCHOCHP22P 3-磷酸甘油醛1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油醛的氧化是酵解过程中首次发生的氧化作用，3-磷酸甘油醛C1上的醛基转变成酰基磷酸。酰基磷酸是磷酸与羧酸的混合酸酐，具有高能磷酸基团性质，其能量来自醛基的氧化。生物体通过此反应可以获得能量。 ?l,3-二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的催化下生成3-磷酸甘油酸: 1,3-二磷酸甘油酸中的高能磷酸键经磷酸甘油酸激酶(一种可逆性的磷酸激酶)作用后148 转变为ATP，生成了3-磷酸甘油酸。因为 lmol的己糖代谢后生成2mol的丙糖，所以在这个反应及随后的放能反应中有2倍高能磷酸键产生。这种直接利用代谢中间物氧化释放的能量产生 ATP的磷酸化类型称为底物磷酸化。在底物磷酸化中，ATP的形成直接与一个代谢中间物(如1,3-二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸等)上的磷酸基团的转移相偶联。 OO COPCOH磷酸甘油酸激酶 + ADP+ ATP2+HCOHHCOHMg CHOCHOP2P2 1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 ? 3-磷酸甘油酸变为2-磷酸甘油酸，由磷酸甘油酸变位酶催化: COOHCOOH 磷酸甘油酸变位酶 CHOHCOHP CHOHCHOP22 2-磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 4(由2-磷酸甘油酸生成丙酮酸(反应?,?) ?2-磷酸甘油酸脱水形成烯醇式磷酸丙酮酸(PEP)。在脱水过程中分子内部能量重新排 2+布，使一部分能量集中在磷酸键上，从而形成一个高能磷酸键。该反应被Mg所激活。被氟离子所抑制。 COOHCOOH 烯醇化酶O CP CHO+ HPO22+MgOHCHCH22 2-磷酸甘油酸 烯醇式磷酸丙酮酸 ?烯醇式磷酸丙酮酸在丙酮酸激酶催化下转变为烯醇式丙酮酸。这是一个偶联生成 ATP的反应。属于底物磷酸化作用。为不可逆反应。 COOHCOOH 丙酮酸激酶OH+ATP C COP+ADP CHCH22 烯醇式磷酸丙酮酸 烯醇式丙酮酸 烯醇式丙酮酸极不稳定，很容易自动变为比较稳定的丙酮酸。这一步不需要酶的催化。 149 COOHCOOH CO COH CHCH32 烯醇式丙酮酸 丙酮酸 糖酵解的总反应式为: + + 葡萄糖，2Pi，2NAD???? 2丙酮酸，2ATP，2NADH，2H，2H2O 由葡萄糖生成丙酮酸的全部反应见表6-1。 糖酵解中所消耗的 ADP及生成的 ATP数目见表6-2。 表6-1 糖酵解的反应及酶类 序 号 反 应 酶 (1) (一) 葡萄糖，ATP?6-磷酸葡萄糖，ADP 己糖激酶 (2) 磷酸己糖异构酶 6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖 (3) 6-磷酸果糖，ATP?1,6-二磷酸果糖+ADP 磷酸果糖激酶 (4) (二) 醛缩酶 1,6-二磷酸果糖磷酸二羟丙酮，3-磷酸甘油醛 (5) 磷酸丙糖异构酶 磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛 ++(6) (三) 3-磷酸甘油醛脱氢酶 3-磷酸甘油醛，NAD+Pi 1,3-二磷酸甘油酸，NADH，H (7) 1,3-二磷酸甘油酸，ADP3-磷酸甘油酸，ATP 磷酸甘油酸激酶 (8) 3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸 磷酸甘油酸变位酶 (9) (四) 2-磷酸甘油酸 烯醇式磷酸丙酮酸，HO 烯醇化酶 2 (10) 烯醇式磷酸丙酮酸，ADP?丙酮酸，ATP 丙酮酸激酶 表6-2 1分子葡萄糖酵解产生的ATP分子数 反 应 形成ATP分子数 葡萄糖 ?? 6-磷酸葡萄糖 -1 6-磷酸果糖 ??1,6-二磷酸果糖 -1 1,3-二磷酸甘油酸 ?? 3-磷酸甘油酸 +1×2 磷酸烯醇式丙酮酸 ?? 丙酮酸 +1×2 1分子葡萄糖 ?? 2分子丙酮酸 +2 三、糖酵解的化学计量与生物学意义 糖酵解是一个放能过程。每分子葡萄糖在糖酵解过程中形成2分子丙酮酸，净得2分子ATP和2分子NADH。在有氧条件下，1分子NADH经呼吸链被氧氧化生成水时，原核细胞可形成3分子ATP，而真核细胞可形成2分子ATP。原核细胞1分子葡萄糖经糖酵解总共可生成8分子ATP。按每摩尔ATP含自由能33.4kJ计算，共释放8×33.4,267.2kJ，还不到葡萄糖所含自由能2867.5kJ的10,。大部分能量仍保留在2分子丙酮酸中。糖酵解的生物学意义就在于它可在无氧条件下为生物体提供少量的能量以应急。糖酵解的中间产 物是许多重要物质合成的原料，如丙酮酸是物质代谢中的重要物质，可根据生物体的需要而进一步向许多方面转化。3-磷酸甘油酸可转变为甘油而用于脂肪的合成。糖酵解在非糖物质转化成糖的过程中也起重要作用，因为糖酵解的大部分反应是可逆的，非糖物质可以150 逆着糖酵解的途径异生成糖，但必需绕过不可逆反应。 D-葡萄糖糖原+ PiATP?己糖激酶ADP磷酸化酶a 磷酸葡萄糖变位酶D-葡萄糖-6-磷酸D-葡萄糖-1-磷酸 ?磷酸葡萄糖异构酶 D-果糖-6-磷酸ATP6-磷酸果糖激酶?ADP D-果糖-1,6-二磷酸醛缩酶? 磷酸丙糖异构酶甘油醛-3-磷酸磷酸二羟丙酮+NAD + Pi? ?D-甘油醛-3-磷酸脱氢酶+NADH + H 1,3-二磷酸甘油酸ADP?磷酸甘油酸激酶ATP 3-磷酸甘油酸 ?磷酸甘油酸变位酶 2-磷酸甘油酸 ?烯醇化酶HO2 磷酸烯醇式丙酮酸ADP?丙酮酸激酶ATP 丙酮酸+NADH + H +L-乳酸脱氢酶NAD L-乳酸 图6-4 糖酵解途径 四、丙酮酸的去向 葡萄糖经糖酵解生成丙酮酸是一切有机体及各类细胞所共有的途径，而丙酮酸的继续 变化则有多条途径: 1( 丙酮酸彻底氧化 在有氧条件下，丙酮酸脱羧变成乙酰辅酶A，而进入三羧酸循环，氧化成 CO2和H2O。 ++NADH+H+乙酰CoA+CO+ CoANAD丙酮酸 +2 在无氧条件下，为了糖酵解的继续进行(就必须将还原型的 NADH再氧化成氧化型 151 +的NAD，以保证辅酶的周转，如乳酸发酵、酒精发酵等。 2( 丙酮酸还原生成乳酸 +在乳酸脱氢酶的催化下，丙酮酸被从3-磷酸甘油醛分子上脱下的氢(NADH，H)还原，生成乳酸，称为乳酸发酵。 从葡萄糖酵解成乳酸的总反应式为: 葡萄糖 + 2Pi + 2ADP 2乳酸 + 2ATP + 2HO 2 COOHCOOH ++HCOH + NAD+NADH +HCO CHCH33 乳酸丙酮酸 + 某些厌氧乳酸菌或肌肉由于剧烈运动而缺氧时，NAD的再生是由丙酮酸还原成乳酸来完成的，乳酸是乳酸酵解的最终产物。乳酸发酵是乳酸菌的生活方式。 3( 生成乙醇 在酵母菌或其他微生物中，在丙酮酸脱羧酶的催化下，丙酮酸脱羧变成乙醛，继而在乙醇脱氢酶的作用下，由NADH还原成乙醇。反应如下: (l)丙酮酸脱羧 丙酮酸脱羧酶 CHCHO + COCHCOCOOH 332 丙酮酸 乙醛 (2)乙醛被还原为乙醇 乙醇脱氢酶++ CHCHO + NADH + HCHCHOH + NAD332 乙醛 乙醇 葡萄糖进行乙醇发酵的总反应式为: 葡萄糖 + 2Pi + 2ADP 2乙醇 + 2CO + 2ATP 2 对高等植物来说，不论是在有氧或者是在无氧的条件下，糖的分解都必须先经过糖酵解阶段形成丙酮酸，然后再分道扬镳。 2CO2乙醇 ++ 2ATP2无氧中间产物2丙酮酸糖有氧+ 6HO + 38ATP6CO2 2 酵解和发酵可以在无氧或缺氧的条件下供给生物以能量，但糖分解得不完全，停止在二碳或三碳化合物状态，放出极少的能量(38?2)。所以对绝大多数生物来说，无氧只能是短期的，因为消耗大量的有机物，才能获得少量的能量，但能应急。例如当肌肉强烈运动 +时，由于氧气不足，NADH即还原丙酮酸，产生乳酸，生成的 NAD继续进行糖酵解的脱氢反应。 152 葡萄糖 _ 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸果糖+_2+Mg6-磷酸葡萄糖酸_+ 1，6-二磷酸果糖 磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛 1，3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 +2+Mg+_+KATP_+柠檬酸ADP + Pi 丙酮酸 图6-5 糖酵解的调控 五、糖酵解的调控 糖酵解途径具有双重作用:使葡萄糖降解生成 ATP，并为合成反应提供原料。因此，糖酵解的速度就要根据生物体对能量与物质的需要而受到调节与控制。在糖酵解中，由己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶所催化的反应是不可逆的。这些不可逆的反应均可成为控制糖酵解的限速步骤，从而控制糖酵解进行的速度。催化这些限速反应步骤的酶就称 为限速酶。 己糖激酶是变构酶，其反应速度受其产物6-磷酸葡萄糖的反馈抑制。当磷酸果糖激酶被抑制时，6-磷酸果糖的水平升高，6-磷酸葡萄糖的水平也随之相应升高，从而导致己糖 153 激酶被抑制。 己糖激酶葡萄糖6-磷酸葡萄糖 磷酸果糖激酶是糖酵解中最重要的限速酶。磷酸果糖激酶也是变构酶，受细胞内能量水平的调节，它被ADP和AMP促进，即在能荷低时活性最强。但受高水平 ATP的抑制，因为ATP是此酶的变构抑制剂，可引发变构效应而降低对其底物的亲合力。磷酸果糖激酶受高水平柠檬酸的抑制，柠檬酸是三羧酸循环的早期中间产物，柠檬酸水平高就意味着生物合成的前体很丰富，糖酵解就应当减慢或暂停。当细胞既需要能量又需要原材料时，如ATP/AMP值低及柠檬酸水平低时，则磷酸果糖激酶的活性最高。而当物质与能量都丰富时，磷酸果糖激酶的活性几乎等于零。 丙酮酸激酶也参与糖酵解速度的调节。丙酮酸激酶受 ATP的抑制，当ATP/AMP值高时，磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸的过程即受到阻碍。糖酵解的调节控制如图6-5所示。 第四节 三羧酸循环 葡萄糖通过糖酵解转变成丙酮酸。在有氧条件下，丙酮酸通过一个包括二羧酸和三羧酸的循环而逐步氧化分解，直至形成CO2和H2O为止。这个过程称为三羧酸循环(tricar-boxylic acid cycle，简称 TCA循环)。该循环是英国生化学家Hans Krebs首先发现的，故又名 Krebs循环。由于该循环的第一个产物是柠檬酸，故又称柠檬酸循环(citric acid cycle)。 三羧酸循环是生物中的燃料分子(即碳水化合物、脂肪酸和氨基酸)氧化的最终共同途径。这些燃料分子大多数以乙酰CoA进入此循环而被氧化。三羧酸循环的反应是在线粒体内部进行的，所有三羧酸循环的酶类都存在于线粒体的衬质(matrix)中。 一、丙酮酸氧化脱羧 丙酮酸不能直接进入三羧酸循环，而是先氧化脱羧形成乙酰辅酶A再进入三羧酸循环。丙酮酸氧化脱羧反应是由丙酮酸脱氢酶系(即丙酮酸脱氢酶复合体)催化的。丙酮酸脱氢酶系是一个相当庞大的多酶体系，其中包括丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸乙酰转移酶、二 S L+氢硫辛酸脱氢酶三种不同的酶及焦磷酸硫胺素(TPP)、硫辛酸()、辅酶A、FAD、NAD S 2+ 和Mg6种辅助因素组装而成。丙酮酸脱氢酶系在线粒体内膜上，催化反应如下: ++HSCoANADCHCOCOOH++CHCOCoACONADHH33++2+ 这是一个不可逆反应，分五步进行:? 丙酮酸与TPP形成复合物，然后脱羧，生成活化乙醛;? 活化乙醛与二氢硫辛酸结合，形成乙酰二氢硫辛酸，同时释放出TPP;? 硫辛酸将乙酰基转给辅酶A，形成乙酰辅酶A;? 由于硫辛酸在细胞内含量很少，要使上述 +反应不断进行，硫辛酸必须氧化再生，即将氢递交给FAD;? FADH2再将氢转给NAD。 具体反应如下: 154 O 2+Mg++Enz.TPPCOEnz.TPPCHOHCHCHCCOO-12133 Enz.Enz.TPPCHOHCH+Enz.TPP+Enz.13212 SSSSH OOCOH +COASHEnz.+COASCCH223 SSHSHSHEnz. O3CCHEnz.+Enz.FADH+Enz.Enz.FAD23223 SSSHSH +++NADHEnz.Enz.FADHFADHNAD+323 Enz.1 为丙酮酸脱羧酶;Enz.2 为二氢硫辛酸乙酰转移酶;Enz.3为二氢硫辛酸脱氢酶;TPP 为焦磷酸硫胺素 Lester Reed研究了丙酮酸脱氢酶复合体的组成和结构，在大肠杆菌(E. coli)中此酶的质量约4 600 000，由60条肽链组成多面体，直径约30nm，可以在电子显微镜下观察到这种复合体。硫辛酸乙酰转移酶位于核心有24条肽链，丙酮酸脱羧酶也有24条肽链，二氢硫辛酸脱氢酶由12条肽链组成。这些肽链以非共价力结合在一起，在碱性条件时复合体可以解离成相应的亚单位，在中性条件下三个酶又重组合成复合体。所有的丙酮酸氧化脱羧的中间产物均紧密结合在复合体上。 +综合上述，1分子丙酮酸转变为1分子乙酰CoA，生成1分子 NADH，H，放出1分子CO2。所生成的乙酰CoA随即可进入三羧酸循环被彻底氧化，反应历程如图6-6所示。 图6-6 丙酮酸脱氢酶系作用模式 二、三羧酸循环 155 在有氧条件下，乙酰辅酶A 的乙酰基通过三羧酸循环被氧化成 CO2和 H2O。三羧酸循环不仅是糖有氧代谢的途径，也是机体内一切有机物碳素骨架氧化成CO2的必经之路。 反应历程如图6-7所示，现分述如下: (1)辅酶A与草酰乙酸缩合成柠檬酸。乙酰辅酶A在柠檬酸合成酶催化下与草酰乙酸进行缩合，然后水解成1分子柠檬酸。 COOHCHCOOHCH22 CH柠檬酸合成酶3++CoASHC+ HHOCOCOOHO2 ,SCoACOCOOHCHCOOH2 乙酰辅酶A草酰乙酸柠檬酸 (2)柠檬酸脱水生成顺乌头酸，然后加水生成异柠檬酸。 CHCOOHCHCOOH2 顺乌头酸酶HOCOOHHOCCCOOH+2 COOHCHCHCOOH22 柠檬酸顺乌头酸 CHCOOHCOOHHOCH 顺乌头酸酶OHHCCOOHCCOOH+2 CHCOOHCHCOOH22 顺乌头酸异柠檬酸 -HO+HO22柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸 (3)异柠檬酸氧化与脱羧生成α-酮基戊二酸。 在异柠檬酸脱氢酶的催化下，异柠檬酸脱去2H，其中间产物草酰琥珀酸迅速脱羧生成α-酮戊二酸。 COOHCOHOCHCOOH 异柠檬酸脱氢酶++COOH+ NADH + HHCCOOHHC + NAD++(NADPH + H)(NADP)COOHCHCOOHCH22 异柠檬酸草酰琥珀酸 两步反应均为异柠檬酸脱氢酶所催化。现在认为这种酶具有脱氢和脱羧两种催化能 2+力。脱羧反应需要Mn。 156 COCOOHCOCOOH 异柠檬酸脱氢酶 + COCH2HCCOOH22+Mn CHCOOHCH2COOH2α-酮戊二酸草酰琥珀酸 此步反应是一分界点，在此之前都是三羧酸的转化，在此之后则是二羧酸的转化。 (4)α-酮戊二酸氧化脱羧反应。α-酮戊二酸在α-酮戊二酸脱氢酶复合体作用下脱羧形成琥珀酰辅酶A，此反应与丙酮酸脱羧相似。总反应如下: SCOCOOHO,TPPL S++SCoA+ CO + NADH + H,CHC2+ CoASH+CHNAD222+FAD, Mg CHCOOHCHCOOH22 琥珀酰辅酶Aα-酮戊二酸 0’ ΔG= ,33.44kJ 此反应不可逆，大量释放能量，是三羧酸循环中的第二次氧化脱羧，又产生 NADH及 CO2各1分子。 (5)琥珀酰辅酶A在琥珀酰-CoA合成酶催化下，转移其高能硫酯键至二磷酸鸟苷(GDP)上生成三磷酸鸟苷(GTP)，同时生成琥珀酸。然后GTP再将高能键能转给ADP，生成1个ATP。 O SCoACHCOOHC,CH琥珀酰-CoA合成酶22+ HPO + GDP+ GTP + CoASH342+MgCOOHCHCHCOOH22 琥珀酸琥珀酰辅酶A GTP+ADPATP+GDP 此反应为此循环中惟一直接产生ATP的反应(底物磷酸化)。 (6)琥珀酸被氧化成延胡索酸。 琥珀酸脱氢酶催化此反应，其辅酶为黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)。 CHCOOHCHCOOH琥珀酸脱氢酶2+ FAD+ FADH2COOHCHCHCOOH2 延胡索酸琥珀酸 (7)延胡索酸加水生成苹果酸。 CHCOOH2CHCOOH延胡索酸酶O+ HCHOH2 CHCOOHCOOH延胡索酸苹果酸 157 (8)苹果酸被氧化成草酰乙酸。 CHCOOHCHCOOH22苹果酸脱氢酶+++ NADH + HCO+ NADCHOH COOHCOOH 草酰乙酸苹果酸 至此草酰乙酸又重新形成，又可和另1分子乙酰辅酶A缩合成柠檬酸进入三羧酸循环。三羧酸循环一周，消耗1分子乙酰辅酶A(二碳化合物)。循环中的三羧酸、二羧酸并不因参加此循环而有所增减。因此，在理论上，这些羧酸只需微量，就可不息地循环，促使乙酰辅酶A氧化。 三羧酸循环的多个反应是可逆的，但由于柠檬酸的合成及α-酮戊二酸的氧化脱羧是不可逆的，故此循环是单向进行的。 由图6-7可见，丙酮酸经三次脱羧反应(反应?、?、?)共生成3分子CO2;通过反应?、?、?、?、?共脱下5H2，再经呼吸链氧化生成5分子H2O，其中反应?、?、?共用去3分子H2O，?相当被摄取1分子H2O。 丙酮酸氧化的总反应可用下式表示: 1CHCOCOOHHOOCO2+3+322222 三、草酰乙酸的回补反应 三羧酸循环不仅产生ATP，其中间产物也是许多物质生物合成的原料。例如，构成叶绿素与血红素分子中卟啉环的碳原子来自琥珀酰CoA。大多数氨基酸是由α-酮戊二酸及草酰乙酸合成的。三羧酸循环中的任何一种中间产物被抽走，都会影响三羧酸循环的正常运转，如果缺少草酰乙酸，乙酰CoA就不能形成柠檬酸而进入三羧酸循环，所以草酰乙酸必 158 图6-7 三羧酸循环 ?丙酮酸脱氢酶复合体;?柠檬酸合成酶;?顺乌头酸酶;?、?异柠檬酸脱氢酶;?α-酮戊二酸脱氢酶复合体;?琥珀酰CoA合成酶;?琥珀酸脱氢酶;?延胡索酸酶;?L-苹果酸脱氢酶 须不断地得以补充。这种补充反应就称为回补反应。生物体内的回补反应如下: COOH COOH2+COMg +CO+ ATP + HO+ ADP + Pi + 2H+ CO22CH 2CH3 COOH丙酮酸草酰乙酸 1( 丙酮酸的羧化 此反应在线粒体中进行，由丙酮酸羧化酶催化，是动物体内最重要的回补反应。 159 2(烯醇式磷酸丙酮酸的羧化 在烯醇式磷酸丙酮酸羧化酶的作用下，烯醇式磷酸丙酮酸羧化形成草酰乙酸。 烯醇式磷酸丙酮酸羧化酶存在于高等植物、酵母和细菌中，动物体内不存在。此酶的作用与丙酮酸羧化酶相同，即保证供给三羧酸循环以适量的草酰乙酸。 COOHCOOH2+COMnCOP+ GDP + CO+ GTP2CH2CH2COOH 草酰乙酸烯醇式磷酸丙酮酸 四、三羧酸循环中ATP的形成及三羧酸循环的意义 1分子乙酰辅酶A经三羧酸循环可生成1分子 GTP(可转变成ATP)，共有4次脱氢，生成3分子NADH和1分子 FADH2。当经呼吸链氧化生成H2O时，前者每对电子可生成3分子ATP，3对电子共生成9分子ATP;后者则生成2分子ATP。因此，每分子乙酰辅酶A经三羧酸循环可产生12分子ATP。若从丙酮酸开始计算，则1分子丙酮酸可产生15分子ATP。1分子葡萄糖可以产生2分子丙酮酸，因此，原核细胞每分子葡萄糖经糖酵解、三羧酸循环及氧化磷酸化三个阶段共产生8，2×15,38个ATP分子。 三羧酸循环生成ATP数见表6-4。 表6-4 1mol葡萄糖在有氧分解时所放出的ATP摩尔数 ATP的生成与消耗(mol) 反应阶段 反 应 合 成 消耗 净得 底物磷酸化 氧化磷酸化 葡萄糖?6-磷酸葡萄糖 1 -1 6-磷酸果糖?1,6-二磷酸果糖 1 -1 酵 解 3-磷酸甘油醛?1,3-二磷酸甘油酸 3×2 6 1,3-二磷酸甘油酸?3-磷酸甘油酸 1×2 2 2-烯醇式丙酮酸?烯醇式丙酮酸 1×2 2 丙酮酸氧化脱羧 丙酮酸?乙酰CoA 3×2 6 异柠檬酸?草酰琥珀酸 3×2 6 α-酮戊二酸?琥珀酰CoA 3×2 6 三羧酸循环 琥珀酰CoA?琥珀酸 1×2 2 琥珀酸?延胡索酸 2×2 4 苹果酸?草酰乙酸 3×2 6 总 计 2 6 34 38 1mol乙酰辅酶A燃烧释放的热量为874.04kJ，12分子ATP水解释放353.63kJ的能量，160 能量的利用效率为40.5,。由于糖、脂肪及部分氨基酸分解的中间产物为乙酰CoA，可通过三羧酸循环彻底氧化，因此三羧酸循环是生物体内产生 ATP的最主要途径。 在生物界中，动物、植物与微生物都普遍存在着三羧酸循环途径，因此三羧酸循环具有普遍的生物学意义。分述如下: ? 糖的有氧分解代谢产生的能量最多，是机体利用糖或其他物质氧化而获得能量的最有效方式。 ? 三羧酸循环之所以重要在于它不仅为生命活动提供能量，而且还是联系糖、脂、蛋白质三大物质代谢的纽带。 三羧酸循环所产生的多种中间产物是生物体内许多重要物质生物合成的原料。在? 细胞迅速生长时期，三羧酸循环可提供多种化合物的碳架，以供细胞生物合成使用。 ? 植物体内三羧酸循环所形成的有机酸，既是生物氧化的基质，又是一定器官的积累物质，如柠檬果实富含柠檬酸，苹果中富含苹果酸等。 ? 发酵工业上利用微生物三羧酸循环生产各种代谢产物，如柠檬酸、谷氨酸等。 五、三羧酸循环的调控 三羧酸循环的主要调节部位有四处(如图6-8所示)。这些部位酶活性的调节主要是产物的反馈抑制和能荷调节。 1( 丙酮酸脱氢酶系 的调控 该酶受多种因素的 调节: (1)反馈调节 反应 产物乙酰辅酶A与辅酶A 竞争与酶蛋白结合，而抑 制了硫辛酸乙酰转移酶的 活性;反应的另一产物 NADH能抑制二氢硫辛 酸脱氢酶的活性。抑制效 应可被相应的反应物辅酶 +A和NAD逆转。 (2)共价修饰调节 丙酮酸脱羧酶为共价调节 酶，具有活性型与非活性 型两种状态。当其分子上 特定的丝氨酸残基被ATP图6-8 丙酮酸脱羧及三羧酸循环的调节 所磷酸化时，酶就转变为 非活性态，丙酮酸的氧化脱羧作用即告停止。而当脱去其分子上的磷酸基团时，酶即恢复活性，丙酮酸脱羧反应就可继续进行。 (3)能荷调节 整个酶系都受能荷控制。丙酮酸脱羧酶为 GTP、ATP所抑制，为AMP 161 所激活。因为能激活丙酮酸脱羧酶的激酶，可使丙酮酸脱羧酶磷酸化而变为无活性态，从而抑制了丙酮酸的脱羧反应。 2+丙酮酸脱羧酶系可被Ca所促进。 2(柠檬酸合成酶的调节 由草酰乙酸及乙酰辅酶A合成柠檬酸是三羧酸循环的一个重要控制部位。ATP是柠檬酸合成酶的变构抑制剂，ATP的效应是增加酶对乙酰辅酶A浓度的要求，增加对乙酰辅酶A的 K值，使酶对乙酰辅酶A的亲合力减小，因而形成的柠檬酸也减少。琥珀酰辅酶Am 对此酶也有抑制作用。 3(异柠檬酸脱氢酶的调节 该酶也是变构酶，ADP 是异柠檬酸脱氢酶的变构激活剂，可提高酶对底物的亲合力。 +2+异柠檬酸、NAD、Mg对此酶的活性也有促进作用，NADH则对此酶有抑制作用。 4( α-酮戊二酸脱氢酶系的调节 α-酮戊二酸脱氢酶系与丙酮酸脱羧酶系相似，其调 控的某些方向也相同。此酶活性受反应产物琥珀酰辅酶A和NADH所抑制，也受 能荷调节，即为ADP所促进，为ATP所抑制。 第五节 磷酸戊糖途径 糖的无氧酵解与有氧氧化过程是生物体内糖分解代谢的主要途径，但不是惟一的途径。糖的另一条氧化途径是从6-磷酸葡萄糖开始的，称为磷酸己糖支路，因为磷酸戊糖是该途径的中间产物，故又称之为磷酸戊糖途径(Pentose phosphate pathway)，简称PPP途径。磷酸戊糖途径是在细胞质的可溶部分——液泡中进行的。 磷酸戊糖途径的存在可以由以下事实来证明:一些糖酵解的典型的抑制剂(如碘乙酸及 +氟化物)不能影响某些组织中葡萄糖的利用。此外，Warburg发现NADP和6-磷酸葡萄糖氧 14化成6-磷酸葡萄糖酸时会导致葡萄糖分子进入一个当时未知的代谢途径，当用C标记葡 14萄糖的C1处或C6处的碳原子时，则C1处的碳原子比C处的碳原子更容易氧化成CO。62141414如果葡萄糖只能通过糖酵解转化成两个3-C丙酮酸，继而裂解成CO2，这些6-C葡萄 1414糖和1-C葡萄糖会以同样的速度生成CO2。这些观察促进了磷酸戊糖途径的发现。 磷酸戊糖途径的主要特点是葡萄糖的氧化，不是经过糖酵解和三羧酸循环，而是直接 +脱氢和脱羧，脱氢酶的辅酶为NADP。整个磷酸戊糖途径分为两个阶段，即氧化阶段与非氧化阶段。前者是6-磷酸葡萄糖脱氢、脱羧，形成5-磷酸核糖，后者是磷酸戊糖经过一系列的分子重排反应，再生成磷酸己糖和磷酸丙糖。 一、磷酸戊糖途径的反应历程 1(氧化阶段 +(1)6-磷酸葡萄糖脱氢酶以 NADP为辅酶，催化6-磷酸葡萄糖脱氢生成6-磷酸葡萄糖酸内酯。 162 CHO PCHO P22 OOH6-磷酸葡萄糖脱氢酶HHH+H+ + NADPO+ NADPH + HOHHOHHOHOHOH HOHHOH 6-磷酸葡萄糖酸内酯6-磷酸葡萄糖 (2)6-磷酸葡萄糖酸内酯在内酯酶的催化下，内酯与H2O起反应，水解为6-磷酸葡 萄糖酸。 COOH HCOHO PCH2 OHHOCH内酯酶HOO+ H2OHHHCOHOH HOHHCOH CHO P2 6-磷酸葡萄糖酸6-磷酸葡萄糖酸内酯 + (3)6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶以NADP为辅酶，催化6-磷酸葡萄糖酸脱羧生成五碳糖。 COOHCHOH2HCOHOC6-磷酸葡萄糖脱氢酶HOCH+++ NADPHCOH+ CO + NADPH + H2HCOH HCOHHCOHPOCH2O PCH2 5-磷酸核酮糖6-磷酸葡萄糖酸 2(非氧化阶段 (1)磷酸戊糖的相互转化: 163 OHCHOHCCH2OH2 OCCHOOHC异构酶表异构酶 CCOHOHHHHOH C COHHHCOHCOHH POCHPP2OCHOCH22 5-磷酸核糖5-磷酸核酮糖5-磷酸木酮糖 (2)7-磷酸景天庚酮糖的生成: 由转酮酶(转羟乙醛酶)催化将生成的木酮糖的酮醇转移给5-磷酸核糖。 OHCH2 OCOHCCHOHHOC2H OCCHCOHHOHCHO转酮酶HOCH+COHCHOHH+CHOH HCOHCHOHCHOHPCHO2 PPCHOCHOPCHO222 3-磷酸甘油醛7-磷酸景天庚酮糖5-磷酸木酮糖5-磷酸核糖 (3)转醛酶所催化的反应:生成的7-磷酸景天庚酮糖由转醛酶(转二羟丙酮基酶)催化，把二羟丙酮基团转移给3-磷酸甘油醛，生成四碳糖和六碳糖。 OHCH2CHOH2OCCHOCOCHOHOCHOHC转醛酶HCHHO+HC+OHCHOHCHOHCHOHPCHO2COHHPCHO2HCOH HCOHPCHO2PCHO2 6-磷酸果糖7-磷酸景天庚酮糖3-磷酸甘油醛4 -磷酸赤藓糖 (4)四碳糖的转变:4-磷酸赤藓糖并不积存在体内，而是与另1分子的木酮糖进行作用，由转酮醇酶催化将木酮糖的羟乙醛基团交给赤藓糖，则又生成1分子的6-磷酸果糖和1分子的3-磷酸甘油醛。 164 OHCH2CHOHCHO2COOCOHCCHOHCHHO转酮酶HOC++HCCHOHHOHCHOH PPCCHOOCHHOH22CHOH PCHO2POCH24 -磷酸赤藓糖5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛6-磷酸果糖 二、磷酸戊糖途径的化学计量与生物学意义 6× 6-磷酸葡萄糖+6NADP +6NADPH+6H 6× 6-磷酸葡萄糖酸+6NADP +6CO26NADPH+6H 6× 5-磷酸核酮糖 2× 5-磷酸木酮糖2× 5-磷酸核糖2× 5-磷酸木酮糖 2× 7-磷酸景天庚酮糖2× 3-磷酸甘油醛 2×4-磷酸赤鲜糖2× 6-磷酸果糖 2× 1,6-二磷酸果糖 HO22× 3-磷酸甘油醛2× 6-磷酸果糖Pi 磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛 HOPi2 1,6-二磷酸果糖6-磷酸果糖 图6-9 磷酸戊糖途径 1(磷酸戊糖途径的化学计量 上述反应中生成的6-磷酸果糖可转变为6-磷酸葡萄糖，由此表明这个代谢途径具有循 环的性质，即1分子葡萄糖每循环一次，只进行一次脱羧(放出1分子CO2)和两次脱氢， 形成2分子NADPH，即1分子葡萄糖彻底氧化生成6分子CO2，需要6分子葡萄糖同时 165 参加反应，经过一次循环而生成5分子6-磷酸葡萄糖(图6-9)，其反应可概括如下: ++6(6-磷酸萄萄糖)，12NADP ???5(6-磷酸葡萄糖)，l2NADPH，H，6CO2 2(磷酸戊糖途径的生物学意义 (1)磷酸戊糖途径的酶类已在许多动植物材料中发现，说明磷酸戊糖途径也是普遍存在的糖代谢的一种方式。该途径在不同的器官或组织中所占的比重不同，在动物、微生物中约占30,，在植物中可占50,以上。动物肌肉中糖的氧化几乎完全通过磷酸戊糖途径，肝中90,糖的氧化通过此途径。 (2)磷酸戊糖途径产生的还原型辅酶?(NADPH)，可以供组织合成代谢需要。 (3)该途径的反应起始物为6-磷酸葡萄糖，不需要 ATP参与起始反应，因此磷酸戊糖循环可在低 ATP浓度下进行。 (4)此途径中产生的5-磷酸核酮糖是辅酶及核苷酸生物合成的必需原料。 (5)磷酸戊糖循环与植物的关系更为密切，因为循环中的某些酶及一些中间产物(如丙糖、丁糖、戊糖、己糖和庚糖)也是光合碳循环中的酶和中间产物，从而把光合作用与呼吸作用联系起来。 淀粉 磷酸己糖磷酸戊糖磷酸戊糖途径 糖磷酸丙糖酵解乙醇(酒精发酵)无氧丙酮酸有呼氧乳酸(乳酸发酵)吸呼吸乙酰辅酶A三羧酸循环草酰乙酸 柠檬酸 +O2NAD 呼吸链 NADHHO2琥珀酸 图6-10 糖分解代谢各条途径的联系 (6)磷酸戊糖途径与植物的抗性有关 在植物干旱、受伤或染病的组织中，磷酸戊糖途径更加活跃。 (7)磷酸戊糖途径是由6-磷酸葡萄糖开始的、完整的、可单独进行的途径，因而可166 以和糖酵解途径相互补充，以增加机体的适应能力，通过3-磷酸甘油醛及磷酸己糖可与糖酵解沟通，相互配合。 3(磷酸戊糖途径的调控 NADPH的浓度是控制这一途径的主要因素。 NADPH是反应中形成的产物，当其积累过多时，就会对这一途径产生反馈抑制。而某些合成反应，如脂肪酸合成等需要消耗NADPH，核苷酸合成需要消耗5-磷酸核糖，则能间接促进这一反应的进行。 糖分解代谢各条途径的联系见图6-10。 第六节 单糖的生物合成 单糖是光合作用的产物，植物通过光合作用将CO2固定并还原生成葡萄糖，由葡萄糖再转变生成其他各种单糖。 一、还原的磷酸戊糖途径(C途径) 3 CO2的同化也是通过一个循环途径，是卡尔文(Calvin)研究提出的，因此叫卡尔文循环(Calvin cycle)或光合循环(photosynthetic cycle)。由于该循环中CO2的受体是一种戊糖(1,5-二磷酸核酮糖，ribulose bisphosphate, RuBP)，又称为还原的戊糖循环(reductive pentose cycle)。CO2固定的第一个中间产物是三碳化合物，故又名C3途径。 1414- 卡尔文循环的基本原理是以放射性的CO2或 HCO2饲喂植物，经过一定时间(数秒 14至数十分钟)后，将植物“杀死”(即浸在沸酒精中)，将其中含有C的化合物提取出来， 14对提取物进行纸层析和放射性自显影。根据分析结果即可知道C在各种化合物中出现的 14先后顺序，最早的产物应该是最先被C所标记的，较后被标记的化合物出现也较晚，还 14可以观察其被标记的动态，并且还可研究C在各个被标记化合物的各个碳原子中的分布 14情况，从而判断C的转变途径。 利用这种方法，卡尔文及其同事经过10年的努力，于1962年绘出了第一张CO2同化的循环图。 卡尔文循环包括13个反应(图6-11) ，分为三个阶段:CO的羧化固定、还原生成六2 碳糖及1,5-二磷酸核酮糖的再生。 1(CO的固定 2 l,5-二磷酸核酮糖(RuBP)作为CO2的受体，在1,5-二磷酸核酮糖羧化酶 (RuBP羧化酶)的催化下，CO2与1,5-二磷酸核酮糖结合而生成2分子3-磷酸甘油酸(3-PGA)。 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(RuBP羧化酶)约占叶子中可溶性蛋白质的一半，它是一种寡聚蛋白，由8个大亚基与8个小亚基组成，相对分子质量约为500 000。 167 CHOP2 OC COOHCHOP2RUBP羧化酶 CHOH+ CO+ HOCHOHCHOH2 2+1 CHOHCOOHPOCH2 POCH23-磷酸甘油酸1,5-二磷酸核酮糖 2(3-磷酸甘油酸的还原及己糖的形成 3-磷酸甘油酸被ATP磷酸化而生成 l,3二磷酸甘油酸(DPGA);再被还原生成3-磷酸甘油醛(G-3-P)，将三碳酸还原为三碳糖。 ATP ADPCHO+PCHO2CHOP2PNADPH NADP223CHOHCHOHCHOH+ Pi3-磷酸甘油酸激酶3-磷酸甘油醛脱氢酶COOHPCOOCHO 3-磷酸甘油酸3-磷酸甘油醛1,3-二磷酸甘油酸 在磷酸丙糖异构酶的作用下，3-磷酸甘油醛转变为磷酸二羧丙酮(DHAP)。二者在醛缩酶催化下缩合成1,6-二磷酸果糖(FDP)，后者脱去一个磷酸转变为6-磷酸果糖(这些反应均为糖酵解过程的逆转)，再异构化生成6-磷酸葡萄糖，继续脱去磷酸基而转变成葡萄糖(见图6-11)。 3(1,5-二磷酸核酮糖的再生 同化CO2的反应要继续进行，就要不断地提供CO2的受体1,5-二磷酸核酮糖，因此需要有一个1,5-二磷酸核酮糖的再生过程。此过程也是通过一个循环反应来实现的，其反应见图6-11。 由上述反应可见，1分子1,5-二磷酸核酮糖只能同化1分子CO2，6分子1,5-二磷酸核酮糖要同化6分子CO2，才能转变成1分子己糖。1,5-二磷酸核酮糖并没有被消耗掉。光合环的全部反应可以用下列总式表示: + 6RuBP，6CO2，18ATP，12NADPH，H + —?6RuBP，葡萄糖，18ADP，18Pi，12NADP ++ 或简写成:6 CO2，18ATP，12NADPH，H—?葡萄糖，18ADP，18Pi，12NADP二、糖异生作用 糖的异生作用(gluconeogenesis)是指从非糖物质前体如丙酮酸或草酰乙酸合成葡萄糖的过程。凡能生成丙酮酸的物质都可以异生成葡萄糖，如三羧酸循环的中间产物柠檬酸、异柠檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸和苹果酸都可转变成草酰乙酸而进入糖异生途径。 大多数氨基酸是生糖氨基酸，它们转变成丙酮酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸等三羧酸循环的中间产物进入糖异生途径。 168 脂肪酸先经β-氧化作用生成乙酰辅酶A，2分子乙酰辅酶A经乙醛酸循环(见脂类代谢)，生成1分子琥珀酸，琥珀酸经三羧酸循环转变成草酰乙酸，再转变成烯醇式磷酸丙酮酸，而后经糖异生途径生成糖。 1(生化历程 由丙酮酸异生成糖，并非全靠糖酵解的逆反应，因为糖酵解过程中有三个激酶(丙酮酸激酶、磷酸果糖激酶和己糖激酶)催化的反应是不可逆的，要完成其逆行的反应，就要绕过这三个不可逆反应。 (1)由丙酮酸激酶催化的反应，可由下列两个反应代替: ?丙酮酸羧化酶 此酶分布在线粒体中，是一种大的变构蛋白，分子量为660000，是四聚体，需要乙酰辅酶A作为活化剂，以生物素为辅酶。在胞浆中由乳酸或磷酸烯醇式丙酮酸形成的丙酮酸必须先进入到线粒体中。丙酮酸转变为草酰乙酸反应如下: COOH COOHCO丙酮酸羧化酶COATPPi+++ADPCO2+CH2CH3COOH丙酮酸草酰乙酸 ?烯醇式磷酸丙酮酸(PEP)羧激酶 此酶存在于胞浆中，磷酸化的同时脱去CO2，形成烯醇式磷酸丙酮酸: COOH COOHCO烯醇式磷酸丙酮酸羧激酶COCO+PGTPGDP++2CH2 CH2COOH 草酰乙酸烯醇式磷酸丙酮酸 由丙酮酸转变为烯醇式磷酸丙酮酸的总反应为: COOHCOOH HPO+OPADPC++GDPHO24GTPCOATP+++2 23CHCH 此过程需要消耗2分子ATP。 (2)磷酸果糖激酶所催化的反应也是不可逆的，由二磷酸果糖磷酸酯酶催化，将1,6-二磷酸果糖水解脱去一个磷酸基，生成6-磷酸果糖。 磷酸酯酶 1,6-二磷酸果糖，HO ????? 6-磷酸果糖，HPO234 (3)己糖激酶所催化的反应也是不可逆的，由6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶催化，把6-磷酸葡萄糖转变为葡萄糖。 磷酸酯酶 169 6-磷酸葡萄糖，HO?????葡萄糖，HPO 234 2(糖异生的重要意义 糖异生作用是生物合成葡萄糖的一个重要途径。生物通过此过程可将酵解产生的乳酸、脂肪分解产生的甘油与脂肪酸及生糖氨基酸等中间产物重新转化成糖。在种子萌发时，储藏性的脂肪与蛋白质可以经过糖异生作用转变成碳水化合物，一般以蔗糖为主，因为蔗糖可以运输，也可供种子萌发及幼苗生长的需要。葡萄糖异生作用虽不是植物的普遍特征，但在很多幼苗的代谢中却占优势。油料作物种子萌发时，由脂肪异生成糖的反应尤其强烈。 3(糖异生的调控 在细胞生理浓度下，糖异生和糖酵解两条途径的各种酶并非同时具有高活性，它们之间的作用是相互配合的，有许多别构酶的效应物，在保持相反途径的协调作用中起着重要的作用。 (1)高浓度的6-磷酸葡萄糖活化6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶，抑制己糖激酶，促进了糖的异生。 (2)糖异生和糖酵解的调控点是6-磷酸果糖与1,6-二磷酸果糖的转化。糖异生的关键调控酶是1,6-二磷酸酯酶，而糖酵解的关键酶是磷酸果糖激酶。ATP刺激激酶的活性,抑制酯酶;柠檬酸则相反，提高酯酶的活性。所以当柠檬酸积累时，促进糖异生过程。 (3)丙酮酸到磷酸烯醇式丙酮酸的转化在糖异生途径中由丙酮酸羧化酶调节，在酵解中被丙酮酸激酶催化。乙酰辅酶A促进丙酮酸羧化酶的活性，抑制丙酮酸脱羧酶的活性。因此当线粒体中乙酰辅酶A的浓度超过燃料要求时，促进糖的异生，合成葡萄糖。丙酮酸是糖异生合成葡萄糖的原料，但对丙酮酸激酶有抑制作用，所以也促进糖异生过程的发生。 第七节 蔗糖和多糖的生物合成 活化的单糖基供体及其相互转化 在由单糖形成寡糖或多糖之前，它们首先转化成一种活化的形式，即糖与核苷酸相结合的化合物。在高等植物中发现的第一个糖核苷酸是尿苷二磷酸葡萄糖(Uridine di-phosphate glucose，UDPG)，以后又发现腺苷二磷酸葡萄糖(adenosine diphosphate glucose，ADPG)O和少数其他的糖核苷酸。UDPG和 ADPG的结构如下: CCHOH2HCNHOHOOH HC2OHHOOHOPOPOCHNO HOHHHHOHOHH OHOHNHUDPG CHC2OH2NOCN HOOHCH 2OHHCCHOOHOPOPOCHNN170 HOHHHHOHOHH OHOH ADPG UDPG是一种活化形式的葡萄糖，它是双糖或多糖生物合成的前体，在寡糖和多糖生物合成中有重要作用，UDPG糖核苷单位中的C1原子是活化的，因为其羟基部分能被 UDP的二个磷酸基团所酯化。UDPG可以从1-磷酸葡萄糖和尿苷三磷酸(UTP)合成，由尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)焦磷酸化酶催化。反应时先是从UTP末端分解出两个磷酸基团，然后剩下的磷酸基团再与1-磷酸葡萄糖形成UDPG。其反应如下: UDPG焦磷酸化酶U-R-P-P-P + G-1-PU-R-P-P-G + PPi 葡萄糖-1-磷酸焦磷酸UDPGUTP 焦磷酸酯酶PPi + HO2Pi2 在糖核苷酰转移反应中自由能的变化很小，所以是可逆的。但由于焦磷酸酯酶将无机焦磷酸继续水解，使反应朝向 UDPG形成的方向进行。 ADPG也是以类似反应形成的，催化这个反应的酶称为ADPG焦磷酸化酶。 二、蔗糖的合成 现在已知蔗糖的合成可能有以下几条途径: (1)蔗糖磷酸化酶(sucrose phosphorylase)途径 这是微生物中蔗糖合成的途径。1943年Doudoroff等在假单胞菌(Pseuomonas saccharophila)的细胞中提取得到蔗糖磷酸化酶，当有无机酸的存在时，可以将蔗糖分解为1-磷酸葡萄糖和果糖，并且证明这是一种可逆反应，其反应过程如下: 蔗糖磷酸化酶 1-磷酸葡萄糖，果糖蔗糖，Pi 但是，在高等植物中至今未能发现这种合成蔗糖的途径。 (2)蔗糖合成酶(sucrose synthase)途径 蔗糖合成酶又名UDP-D-葡萄糖:D-果糖α-葡萄糖基转移酶(UDP-D-glucose:D-fructose α-glucosyl transferase)，它能利用尿苷二磷酸葡萄糖作为葡萄糖的供体，与果糖合成蔗糖。反应如下: 蔗糖合成酶 UDPG，果糖UDP，蔗糖 在许多高等植物中发现有这种酶存在，并且证明这种酶对 UDPG并不是专一性的，也可利用其他的核苷二磷酸葡萄糖(如 ADPG、TDPG、CDPG和 GDPG)作为葡萄糖的供体。 (3)磷酸蔗糖合成酶(Sucrose phosphate synthase)途径 磷酸蔗糖合成酶也利用UDPG作为葡萄糖供体，但是葡萄糖的受体不是游离的果糖，而是6-磷酸果糖，生成的直接产物为磷酸蔗糖。植物体内还存在磷酸酯酶，能将磷酸蔗糖水解成蔗糖。 171 蔗糖磷酸合成酶 UDPG，6-磷酸果糖 磷酸蔗糖，UDP 蔗糖磷酸酯酶 磷酸蔗糖，HO 蔗糖，HPO 234 磷酸蔗糖合成酶在植物光合组织中的活性较高，而在非光合组织中蔗糖合成酶的活性较高。磷酸蔗糖合成酶催化的反应虽是可逆的，但由于生成的磷酸蔗糖发生水解，故其总反应是不可逆的，即朝合成蔗糖的方向进行。目前认为这可能是在光合组织中合成蔗糖的主要途径。 三、淀粉(糖元)的合成 1(直链淀粉的生物合成 (1) 淀粉磷酸化酶:淀粉磷酸化酶广泛存在于生物界，在动物、植物、酵母和某些细菌中都有存在，它催化以下可逆反应: 淀粉磷酸化酶 1-磷酸葡萄糖，“引子” 淀粉，HPO 34 以上反应表明:当只有1-磷酸葡萄糖存在时，磷酸化酶不能催化其形成淀粉，需要加入少量的淀粉或葡萄多糖，即所谓“引子”。“引子”主要是α-葡萄糖等l,4键的化合物，以葡萄多糖促进反应快速进行，麦芽四糖慢一些，引起反应最小的分子是麦芽三糖。“引子”的功能是作为α-葡萄糖的受体，转移来的葡萄糖分子结合在“引子”的 C非还原性末端4的羟基上。因为淀粉磷酸化酶在离体的条件下是可逆的，所以过去认为这是植物体内合成淀粉的反应。但是植物细胞内无机磷酸浓度较高，不适宜反应朝向合成方向进行。所以有人提出在细胞内淀粉磷酸化酶的作用主要是催化淀粉的分解，淀粉合成主要由其他酶来进行。 (2)D酶(D-enzyme):D酶是一种糖苷转移酶，作用于α-l,4键上，它能将一个麦芽多糖的残余键段转移到葡萄糖、麦芽糖或其他α-l,4键的多糖上，起加成作用，故又称为加成酶。例如，D-酶作用在两个麦芽三糖分子上，就能形成麦芽五糖及葡萄糖的混合物(即一个麦芽糖残基从一个麦芽三糖分子中脱离出来作为供体，而加到另一个麦芽三糖分子上(受体)。其反应如图6-12。 图6-12 D-酶作用示意图 — 为α-l,4键; 为转移的葡萄糖单位 在淀粉生物合成过程中，“引子”的产生与 D酶的作用有密切的关系。在马铃薯和大豆中发现有这种酶存在。 (3)淀粉合成酶:现在普遍认为生物体内淀粉的合成是由淀粉合成酶催化的，淀粉合成的第一步是由1-磷酸葡萄糖先合成尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)，催化此反应的酶为1-磷酸葡萄糖尿苷酰转移酶。 172 1-磷酸葡萄糖，UTP UDPG，PPi 淀粉合成的第二步是由淀粉合成酶催化的。它是一种葡萄糖基转移酶，催化 UDPG中的葡萄糖转移到α-l,4连结的葡聚糖(即“引子”)上，使链加长了一个葡萄糖单位: 淀粉合成酶 UDPG，(葡萄糖) ??????? UDP，(葡萄糖) nn+1 “引子” 这个反应重复下去，便可使淀粉链不断地延长。最近研究表明，在植物和微生物中ADPG比 UDPG更为有效，用 ADPG合成淀粉的反应要比用 UDPG快10倍。反应如下: 1-磷酸葡萄糖，ATP ADPG，PPi 淀粉合成酶 ADPG，(葡萄糖) ??????? ADP，(葡萄糖)n n+1 “引子” 用水稻和玉米的种子进行的试验证明:由 ADPG合成淀粉是主要途径。淀粉合成酶常与细胞中的淀粉颗粒连接在一起。淀粉合成酶不能形成淀粉分支点处的α-l,6键。 2(支链淀粉的生物 合成 由于淀粉合成酶只 能合成α-l,4键连结的直 链淀粉，但是支链淀粉除 了α-1,4键外，尚有分支 点处的α-l,6键。这种α -l,6键连结是在另一种称 为Q酶的作用下形成的。 Q酶能够从直链淀粉的非 还原性末端切断一个约为 6或7个糖残基的寡聚糖 碎片，然后催化转移到同 一直链淀粉链或另一直链 淀粉链的一个葡萄糖残基的 图6-13 在Q酶作用下支链淀粉的形成 6-羟基处， 这样就形成了一个α-l,6键，即形成一个分支。在淀粉合成酶和 Q酶的共同作用下便合成了支链淀粉(图6-13)。 四、纤维素等物质的合成 纤维素是植物细胞壁中主要的结构多糖，它是由葡萄糖残基以β-l,4键连接组成的不分支的葡聚糖。与蔗糖、淀粉一样，其糖苷的供体也是糖核苷酸。在一些植物中，它可以从 GDPG(鸟苷二磷酸葡萄糖)合成，而在另一些植物中则利用UDPG来合成，由纤维素合成酶催化: NDPG ， (葡萄糖) ??? NDP ， (葡萄糖) n n+1 173 核苷二磷 原来的 核苷 加长了的 酸葡萄糖 纤维素链 二磷酸 纤维素链 糖核苷酸的糖苷单位加到原来的纤维素链的一端，使它加长一个单位。 纤维素是一种结构多糖，不起营养作用，因为哺乳动物不含纤维素酶，所以不能消化蔬菜中的纤维，但是一些反刍动物在其消化系统中有能产生纤维素酶的细菌，因而能消化纤维素。 半纤维素在化学上与纤维素无关，是一类复杂的物质，半纤维素的结构中包括许多种糖的残基，如葡萄糖、半乳糖、甘露糖、木搪、阿拉伯糖以及各种己糖醛酸。其合成途径也比较复杂。 果胶的主要成分是由半乳糖醛酸以α-l,4糖苷键连接形成的多聚半乳糖醛酸，其合成过程是首先在脱氢酶作用下，UDPG被氧化为 UDP-葡萄糖醛酸，然后UDP-葡萄糖醛酸在差向异构酶作用下，转变为 UDP-半乳糖醛酸。另外，葡萄糖通过肌醇合成的途径也可以合成UDP-半乳糖醛酸。UDP-半乳糖醛酸形成果胶酸(多聚半乳糖醛酸)，多聚半乳糖醛酸可由S-腺苷甲硫氨酸提供甲基而甲基化，形成果胶脂酸。 174