第八章糖代谢 自养生物 分解代谢 糖代谢包括 异养生物 自养生物 合成代谢 异养生物 能量转换(能源) 糖代谢的生物学功能 物质转换(碳源) 可转化成多种中间产物,这些中间产物可进步转化成氨基酸、脂肪酸、核苷酸。 糖的磷酸衍生物可以构成多种重要的生物活性物质:NAD、FAD、DNA、RNA、AP。 分解代谢:酵解(共冋途径)、三羧酸循环(最后氧化途径)、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等。 合成代谢:糖异生、糖原合成、结构多糖合成以及光合作用 分解代谢和合成代谢,受神经、激素、别构物调节控制。 第一节糖酵解 glycolysis 酵解与发酵 1、酵解 glycolysis(在细胞质中进行) 酵解酶系统将G降解成丙酮酸,并生成AP的过程。它是动物、植物、微生物细胞中Glc分解产生能 量的共同代谢途径。 在好氧有机体中,丙酮酸进入线粒体,经三羧酸循环被彻底氧化成COz和H2O,产生的NADH经呼吸 链氧化而产生ATP和水,所以酵解是三羧酸循环和氧化磷酸化的前奏。 若供氧不足,NADH把丙酮酸还原成乳酸(乳酸发酵)。 2、发酵 fermentation 厌氧有机体(酵母和其它微生物)把酵解生的NADH上的氢,传递给丙酮酸,生成乳酸,则称乳酸发 酵。 若NAPH中的氢传递给丙酮酸脱羧生成的乙醛,生成乙醇,此过程是酒精发酵。 有些动物细胞即使在有O时,也会产生乳酸,如成熟的红细胞(不含线粒体)、视网膜。 酵解 三羧酸循环 葡萄糖 丙酮酸+NADH 厌氧乳酸发酵 酒精发酵
１ O2 葡萄糖 酵解 丙酮酸 + NADH 厌氧 三羧酸循环 乳酸发酵 酒精发酵 第八章 糖代谢 自养生物 分解代谢 糖代谢包括 异养生物 自养生物 合成代谢 异养生物 能量转换（能源） 糖代谢的生物学功能 物质转换（碳源） 可转化成多种中间产物，这些中间产物可进一步转化成氨基酸、脂肪酸、核苷酸。 糖的磷酸衍生物可以构成多种重要的生物活性物质：NAD、FAD、DNA、RNA、ATP。 分解代谢：酵解（共同途径）、三羧酸循环（最后氧化途径）、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等。 合成代谢：糖异生、糖原合成、结构多糖合成以及光合作用。 分解代谢和合成代谢，受神经、激素、别构物调节控制。 第一节 糖酵解 glycolysis 一、 酵解与发酵 1、 酵解 glycolysis （在细胞质中进行） 酵解酶系统将Glc 降解成丙酮酸，并生成 ATP 的过程。它是动物、植物、微生物细胞中 Glc 分解产生能 量的共同代谢途径。 在好氧有机体中，丙酮酸进入线粒体，经三羧酸循环被彻底氧化成 CO2和 H2O，产生的 NADH 经呼吸 链氧化而产生 ATP 和水，所以酵解是三羧酸循环和氧化磷酸化的前奏。 若供氧不足，NADH 把丙酮酸还原成乳酸（乳酸发酵）。 2、 发酵 fermentation 厌氧有机体（酵母和其它微生物）把酵解产生的 NADH上的氢，传递给丙酮酸，生成乳酸，则称乳酸发 酵。 若 NAPH中的氢传递给丙酮酸脱羧生成的乙醛，生成乙醇，此过程是酒精发酵。 有些动物细胞即使在有O2时，也会产生乳酸，如成熟的红细胞（不含线粒体）、视网膜
二、糖酵解过程(EMP) Embden- Meyerhof Pathway 1940 在细胞质中进行 1、反应步骤 P79图13-1酵解途径,三个不可逆步骤是调节位点 (1)、葡萄糖谫酸化形彩成G6P 反应式 此反应基本不可逆,调节位点。△G=-40 Kcalmol使Gk活化,并以G6P形式将Gl限制在细胞内。 催化此反应的激酶有,已糖激酶和葡萄糖激酶。 激酶:催化ATP分子的磷酸基(磷酰基)转移到底物上的酶称激酶,一般需要Mg2+或M2+作为辅因 子,底物诱导的裂缝关闭现象似乎是激酶的共同特征。 P80图132己糖激酶与底物结合时的构象变化 已糖溦:专性不强,可催化Gk、ru、Man(甘露糖)磷酸化。己糖激酶是酵解途径中第一个调节 酶,被产物G6P强烈地别构抑制。 葡萄糖溦对G有专一活性,存在于肝脏中,不被G6P抑制。Gk激酶是·个诱导酶,由胰岛素 促使合成, 肌肉细胞中已糖激酶对Gkc的Km为0 mmol,而肝中Gkc激酶对Gkc的Km为10mmoL,因此,平 时细胞内Gk浓度为5mmoL时,已糖激酶催化的酶促反应已经达最大速度,而肝中Gk激酶并不活跃。进 食后,肝中Gl浓度增高,此时Gl激酶将Gk转化成G6P,进步转化成糖元,贮存于肝细胞中 (2)、G6P异构化为F6P 反应式 由于此反应的标准自由能变化很小,反应可逆,反应方向由底物与产物的含量水平控制。 此反应由磷酸Gc异构酶催化,将葡萄糖的羰基C由C1移至C,为C位磷酸化作准备,同时保证C 上有羰基存在,这对分子的β断裂,形成三碳物是必需的。 (3)、 P磷酸化,生成F1.6P 反应式 此反应在体内不可逆,调节位点,由磷酸果糖激酶催化。 磷酸果糖激酶既是酵解途径的限速酶,又是酵解途径的第二个调节酶
２ 二、 糖酵解过程（EMP） Embden-Meyerhof Pathway ，1940 在细胞质中进行 1、 反应步骤 P79 图 13-1 酵解途径，三个不可逆步骤是调节位点。 （1）、 葡萄糖磷酸化形成G-6-P 反应式 此反应基本不可逆，调节位点。△G0= -4.0Kcal/mol使 Glc 活化，并以 G-6-P 形式将 Glc 限制在细胞内。 催化此反应的激酶有，已糖激酶和葡萄糖激酶。 激酶：催化 ATP 分子的磷酸基（r-磷酰基）转移到底物上的酶称激酶，一般需要 Mg2+或 Mn2+作为辅因 子，底物诱导的裂缝关闭现象似乎是激酶的共同特征。 P 80 图 13-2 己糖激酶与底物结合时的构象变化 已糖激酶：专一性不强，可催化 Glc、Fru、Man（甘露糖）磷酸化。己糖激酶是酵解途径中第一个调节 酶，被产物G-6-P 强烈地别构抑制。 葡萄糖激酶：对 Glc 有专一活性，存在于肝脏中，不被 G-6-P 抑制。Glc 激酶是一个诱导酶，由胰岛素 促使合成， 肌肉细胞中已糖激酶对 Glc 的 Km为 0.1mmol/L，而肝中 Glc 激酶对 Glc 的 Km为 10mmol/L，因此，平 时细胞内Glc 浓度为 5mmol/L 时，已糖激酶催化的酶促反应已经达最大速度，而肝中Glc 激酶并不活跃。进 食后，肝中Glc 浓度增高，此时Glc 激酶将Glc 转化成G-6-P，进一步转化成糖元，贮存于肝细胞中。 （2）、 G-6-P 异构化为F-6-P 反应式： 由于此反应的标准自由能变化很小，反应可逆，反应方向由底物与产物的含量水平控制。 此反应由磷酸 Glc 异构酶催化，将葡萄糖的羰基 C由 C1移至 C2 ，为 C1位磷酸化作准备，同时保证C2 上有羰基存在，这对分子的β断裂，形成三碳物是必需的。 （3）、 F-6-P 磷酸化，生成F-1.6-P 反应式： 此反应在体内不可逆，调节位点，由磷酸果糖激酶催化。 磷酸果糖激酶既是酵解途径的限速酶，又是酵解途径的第二个调节酶
(4)、F-1.6P裂解成3磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮(DHAP) 反应式 该反应在热力学上不利,但是,由于具有非常大的△G负值的F-1.62P的形成及后续甘油醛3-磷醺氧化 的放能性质,促使反应正向进行。同时在生理环境中,3磷酸甘油醛不断转化成丙酽酸,驱动反应向右进行 该反应由醛缩酶催化,反应机理 P83 (5)、磷酸二羟丙酮(DHAP)异构化成3磷酸甘油醛 反应式:(注意碳原子编号的变化) 由磷酸丙糖异构酶催化。 已糖转化成3磷酸甘油醛后,C原子编号变化:F-16P的C-P、CP都变成了3·磷酸甘油醛的C3P 图解: 6)、3-磷酸甘油醯氧化成1.3—二磷酸甘油酸 反应式 由磷酸甘油醛脱氢酶催化 此反应既是氧化反应,又是磷酸化反应,氧化反应的能量驱动磷酸化反应的进行。 反应机理: P84图13-43-磷酸甘油醛脱氢酶的催化机理 碘乙酸可与酶的SH结合,抑制此酶湉活性,砷酸能与磷酸底物竞争,使氧化作用与磷酸化作用解偶连(生 成3-磷酸甘油酸) (7)、1.3二磷酸甘油酸转化成3磷酸甘油酸和ATP 反应式 由磷酸甘油酸激酶催化 这是酵解过程中的第一次底物水平磷酸化反应,也是酵解过程中第-次产生AP的反应。 一分子Glc产生二分子三碳糖,共产生2ATP。这样可抵消Gk在两次磷酸化时消耗的2AIP。 8)、3-磷酸甘油酸转化成2磷酸甘油酸 反应式 磷酸甘油酸变位酶催化,磷酰基从C3移至C
３ （4）、 F-1.6-P 裂解成3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮（DHAP） 反应式： 该反应在热力学上不利，但是，由于具有非常大的△G0负值的 F-1.6-2P 的形成及后续甘油醛-3-磷酸氧化 的放能性质，促使反应正向进行。同时在生理环境中，3-磷酸甘油醛不断转化成丙酮酸，驱动反应向右进行。 该反应由醛缩酶催化，反应机理 P 83 （5）、 磷酸二羟丙酮（DHAP）异构化成3-磷酸甘油醛 反应式：（注意碳原子编号的变化） 由磷酸丙糖异构酶催化。 已糖转化成3-磷酸甘油醛后，C 原子编号变化：F-1.6-P 的C1-P、C6-P 都变成了3-磷酸甘油醛的C3-P 图解： （6）、 3-磷酸甘油醛氧化成 1.3—二磷酸甘油酸 反应式： 由磷酸甘油醛脱氢酶催化。 此反应既是氧化反应，又是磷酸化反应，氧化反应的能量驱动磷酸化反应的进行。 反应机理： P84 图 13-4 3-磷酸甘油醛脱氢酶的催化机理 碘乙酸可与酶的-SH 结合，抑制此酶活性，砷酸能与磷酸底物竞争，使氧化作用与磷酸化作用解偶连（生 成 3-磷酸甘油酸） （7）、 1．3—二磷酸甘油酸转化成3—磷酸甘油酸和ATP 反应式： 由磷酸甘油酸激酶催化。 这是酵解过程中的第一次底物水平磷酸化反应，也是酵解过程中第一次产生ATP 的反应。 一分子 Glc 产生二分子三碳糖，共产生2ATP。这样可抵消Glc 在两次磷酸化时消耗的2ATP。 （8）、 3—磷酸甘油酸转化成2—磷酸甘油酸 反应式： 磷酸甘油酸变位酶催化，磷酰基从C3移至C2
(9) 磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸 反应式 烯醇化酶 —磷酸甘油酸中磷脂键是个低能键(Δ(-176Kj伵mo而磷醅矫醇式丙酮酸中的磷酰烯醇键是髙能 键(△G=62IKj/mol),因此,这步反应显著提高了磷酰基的转移势能。 (10)、磷酸烯醇式丙酮醚生成ATP和内酮酸。 反应式: 不可逆,调节位点。 由丙酮酸激酶催化,丙酮酸激酶是酵解途径的第三个调节酶, 这是酵解途径中的第二次底物水平磷酸化反应,磷酸烯醇式丙酮酸将磷酰基转移给ADP,生成AP和 丙酮酸 EMP总反应式: 1葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD→2丙酮酸-2AP+2NADH+2H←2H 2、糖酵解的量变化 P87图13-5糖酵解途径中AIP的生成 无氧情况下:净产生2ATP(2分子NADH将2分子丙酮酸还原成乳酸)。 有氧条件下:NADH可通过呼吸链间接地被氧化,生成更多的ATP 1分子NADH→3ATP 1分子FAD→2ATP 因此,净产生8AIP(酵解2ATP,2分子NADH进入呼吸氧化,共生成6ATP)。 但在肌肉系统组织和神经系统组织:一个G酵解,净产生6ATP(2+2*2) ★甘油磷酸穿梭: 2分子NADH进入线粒体,经甘油磷酸穿梭系统,胞质中磷酸二羟丙酮被还原成3-磷酸甘油,进入线 粒体重新氧化成磷酸二羟内酮,但在线粒体中的3磷酸甘油脱氢酶的辅基是FAD,因此只产生4分子AIP。 ①:胞液中磷酸甘油脱氢酶。 ②:线粒体磷酸甘油脱氢酶。 《罗纪盛》P259P260。 ★苹果酸穿梭机制 胞液中的NADH可经苹果酸脱氢酶催化,使草酰乙酸还原成苹果酸,再通过苹果酸2酮戊二酸载休 转运,进入线粒体内,由线粒体内的苹果酸脱氢酶催化,生成NADH和草酰乙酸。 而草酰乙酸经天冬氨酸转氨酶佣用,消耗ⅷ而形成Aφp。Asp经线粒体上的载体转运回胞液。在胞液 中,A经胞液中的Asp转氨酶作用,再产生草酰乙酸
４ （9）、 2—磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸 反应式： 烯醇化酶 2—磷酸甘油酸中磷脂键是一个低能键（△G= -17.6Kj /mol）而磷酸烯醇式丙酮酸中的磷酰烯醇键是高能 键（△G= -62.1Kj /mol），因此，这一步反应显著提高了磷酰基的转移势能。 （10）、 磷酸烯醇式丙酮酸生成ATP 和丙酮酸。 反应式： 不可逆，调节位点。 由丙酮酸激酶催化，丙酮酸激酶是酵解途径的第三个调节酶， 这是酵解途径中的第二次底物水平磷酸化反应，磷酸烯醇式丙酮酸将磷酰基转移给 ADP，生成 ATP 和 丙酮酸 EMP 总反应式： 1 葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+ → 2 丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O 2、 糖酵解的能量变化 P87 图 13-5 糖酵解途径中 ATP 的生成 无氧情况下：净产生2ATP（2 分子NADH将2 分子丙酮酸还原成乳酸）。 有氧条件下：NADH 可通过呼吸链间接地被氧化，生成更多的ATP。 1 分子 NADH→3ATP 1 分子 FAD →2ATP 因此，净产生 8ATP（酵解2ATP，2 分子NADH进入呼吸氧化，共生成 6ATP）。 但在肌肉系统组织和神经系统组织：一个Glc 酵解，净产生6ATP（２+２*２）。 ★甘油磷酸穿梭： 2 分子NADH 进入线粒体，经甘油磷酸穿梭系统，胞质中磷酸二羟丙酮被还原成3—磷酸甘油，进入线 粒体重新氧化成磷酸二羟丙酮，但在线粒体中的 3—磷酸甘油脱氢酶的辅基是 FAD，因此只产生 4分子 ATP。 ①：胞液中磷酸甘油脱氢酶。 ②：线粒体磷酸甘油脱氢酶。 《罗纪盛》P 259 P 260。 ★苹果酸穿梭机制： 胞液中的NADH可经苹果酸脱氢酶催化，使草酰乙酸还原成苹果酸，再通过苹果酸—2—酮戊二酸载休 转运，进入线粒体内，由线粒体内的苹果酸脱氢酶催化，生成NADH和草酰乙酸。 而草酰乙酸经天冬氨酸转氨酶作用，消耗 Glu 而形成 Asp。Asp 经线粒体上的载体转运回胞液。在胞液 中，Asp 经胞液中的Asp 转氨酶作用，再产生草酰乙酸
经苹果酸穿梭,胞液中NADH进入呼吸链氧化,产生3个ATP。 图 苹果酸脱氢酶(胞液) a一酮戊二酸转位酶 苹果酸脱氢酶(线粒体基质) 谷一草转氨酶 Glu-A转位酶 谷一草转氨酶 草酰乙酸: 苹果酸: a一酮戊二酸: 3、糖酵解中酶的反应类型 P88表13-1糖酵解反应 氧化还原酶(1种):3—磷酸甘油醛脱氢酶 转移酶(4种):己糖激酶、磷酸果糖激酶、磷酸甘油酸激酶、丙酮酸激酶 裂合酶(1种):醛缩酶 异构酶(4种):磷酸(异枃酶、磷酸丙糖异构酶、磷酸甘油酸变位酶、烯醇化酶 三、糖酵解的调节 参阅P120糖酵解的调节 糖酵解过程有三步不可逆反应,分别由三个调节酶(别构酶)催化,调节主要就发生在三个部位。 1、已糖激酶调节 别构抑制剂(负效应调节物):G6-P和AIP 别构激活剂(正效应调节物):ADP 2、磷酸果糖激酶调节(关键限速步骤) 抑制剂:ATP、柠檬酸、脂肪酸和H 激活剂:AMP、F-26-2P ATP:细胞内含有丰富的ATP时,此酶几乎无活性 柠檬酸:高含量的柠檬酸是碳骨架过剩的信号. H:可防止肌肉中形成过量乳酸而使血液酸中毒
５ 经苹果酸穿梭，胞液中NADH进入呼吸链氧化，产生3 个ATP。 图 苹果酸脱氢酶（胞液） α—酮戊二酸转位酶 苹果酸脱氢酶（线粒体基质） 谷—草转氨酶 Glu—Asp 转位酶 谷—草转氨酶 草酰乙酸： 苹果酸： α—酮戊二酸： 3、 糖酵解中酶的反应类型 P88 表 13-1 糖酵解反应 氧化还原酶（1 种）：3—磷酸甘油醛脱氢酶 转移酶（4 种）：己糖激酶、磷酸果糖激酶、磷酸甘油酸激酶、丙酮酸激酶 裂合酶（1 种）：醛缩酶 异构酶（4 种）：磷酸 Glc 异构酶、磷酸丙糖异构酶、磷酸甘油酸变位酶、烯醇化酶 三、 糖酵解的调节 参阅 P120 糖酵解的调节 糖酵解过程有三步不可逆反应，分别由三个调节酶（别构酶）催化，调节主要就发生在三个部位。 1、 已糖激酶调节 别构抑制剂（负效应调节物）：G—6—P和ATP 别构激活剂（正效应调节物）：ADP 2、 磷酸果糖激酶调节（关键限速步骤） 抑制剂：ATP、柠檬酸、脂肪酸和H+ 激活剂：AMP、F—2.6—2P ATP：细胞内含有丰富的ATP 时，此酶几乎无活性。 柠檬酸：高含量的柠檬酸是碳骨架过剩的信号。 H+：可防止肌肉中形成过量乳酸而使血液酸中毒