《生物化學(xué)》第五章 糖類分解代謝

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第五章糖類分解代謝

5.1新陳代謝概述5.1.1新陳代謝概述5.1.2代謝的研究方法5.2生物體內(nèi)的糖類5.2.1單糖5.2.2寡糖5.2.3多糖

5.3雙糖和多糖的酶促降解

5.3.1蔗糖、麥芽糖、乳糖的酶促降解5.3.2淀粉(糖原)的酶促降解5.3.3細(xì)胞壁多糖的酶促降解5.4糖酵解

5.4.1糖酵解的概念5.4.2糖酵解的化學(xué)歷程

5.4.3糖酵解的化學(xué)計(jì)量與生物學(xué)意義5.4.4糖酵解的其他底物5.4.5丙酮酸的去路5.4.6糖酵解的調(diào)控5.5三羧酸循環(huán)

5.5.1丙酮酸氧化為乙酰CoA5.5.2三羧酸循環(huán)5.5.3三羧酸循環(huán)的調(diào)控5.5.4三羧酸循環(huán)的生物學(xué)意義5.6磷酸戊糖途徑

5.6.1磷酸戊糖途徑的生化歷程

5.6.2磷酸戊糖途徑的化學(xué)計(jì)量與生物學(xué)意義5.6.3磷酸戊糖途徑的調(diào)控

第五章糖類分解代謝

本章提要糖的分解代謝包括：糖酵解——糖的共同分解途徑；三羧酸循環(huán)——糖的最終氧化途徑；葡萄糖氧化支路磷酸戊糖途徑——糖的直接氧化途徑。動、植物通過淀粉磷酸化酶或淀粉酶水解糖原(淀粉)成葡萄糖。好多微生物則有水解纖維素的酶。蔗糖、乳糖等寡糖經(jīng)水解和異構(gòu)化成葡萄糖。葡萄糖經(jīng)糖酵解—三羧酸循環(huán)氧化分解產(chǎn)生CO2和NADH、FADH2。磷酸戊糖途徑則生成CO2和NADPH，后者是合成代謝的還原劑。糖分解途徑的多種中間產(chǎn)物是合成氨基酸、脂肪、核苷酸等的原料。ATP、NADH、NADPH通過抑制EMP、TCA和HMP途徑的關(guān)鍵酶而抑制整個(gè)途徑。檸檬酸及脂肪酸也抑制EMP。果糖2，6-二磷酸、AMP則可激活EMP途徑。糖是生物體重要的能源和碳源。糖分解可釋放能量，供給生命活動的需要。糖代謝的中間產(chǎn)物作為碳骨架可以轉(zhuǎn)變成氨基酸、脂肪酸、核苷酸等，糖還是植物體內(nèi)的重要結(jié)構(gòu)物質(zhì)。

糖類是自然界分布最廣的物質(zhì)之一。糖類代謝為生物提供重要的碳源和能源。生物所需的能量，主要由糖分解代謝提供。1g葡萄糖經(jīng)完全氧化分解可釋放約16.74kJ(千焦耳)

的能量。

糖類代謝的中間產(chǎn)物可為氨基酸、核苷酸、脂肪、類固醇的合成提供碳原子或碳骨架。糖的分解代謝指大分子糖經(jīng)酶促降解生成小分子單糖后，進(jìn)一步氧化分解成CO2和H2O，并釋放出能量的生物化學(xué)變化過程。

糖的分解代謝是生物體廣泛存在的最基本代謝，在表達(dá)糖分解代謝之前，先對新陳代謝的概念做一總的論述。

5.1新陳代謝概述

5.1.1新陳代謝概述

新陳代謝(metabolism)是生物的基本特征之一。新陳代謝又稱物質(zhì)代謝，指生物與周邊環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換和能量交換的過程。生物體一方面不斷地從周邊環(huán)境中攝取物質(zhì)，通過一系列生化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽约旱慕M成成分，即所謂同化作用(assimilation)；另一方面，將原有的組成成分經(jīng)過一系列生化反應(yīng)，分解為簡單成分重新利用或排出體外，即所謂異化作用(dissimilation)。通過上述過程不斷地進(jìn)行自我更新。

新陳代謝所包括的同化作用(合成代謝)和異化作用(分解代謝)中，前者是吸能過程，后者是放能過程。合成和分解代謝既包含著生物體的物質(zhì)改變，又包含著生物體在生命活動中的能量變化。其關(guān)系可表示如下。

生物體的新陳代謝合成代謝(同化作用)分解代謝(異化作用)

生物小分子合成為生物大分子生物大分子分解為生物小分子物質(zhì)代謝需要能量(來自分解代謝及光、熱等)放能量(用于合成代謝和生理及運(yùn)動需能)

作為一切生命現(xiàn)象生化基礎(chǔ)的新陳代謝，是建立在合成代謝與分解代謝矛盾對立和統(tǒng)一的基礎(chǔ)上的，兩者間相互聯(lián)系、相互依存，而且相互制約。一個(gè)總的合成代謝過程，往往包括著一些分解反應(yīng)；而一個(gè)總的分解代謝過程也往往包括著一些合成反應(yīng)和能量消耗(如活化過程)。另外，合成代謝為分解代謝提供了物質(zhì)前提，使外部物質(zhì)變?yōu)閮?nèi)部物質(zhì)，并貯存了能量；同時(shí)，分解代謝為合成代謝提供了原料(分解代謝中間物)和必需的能量，使部分內(nèi)部物質(zhì)變?yōu)橥獠课镔|(zhì)(植物呼吸中CO2的釋放，動物廢棄物的排泄等)。在生命進(jìn)程中，合成代謝和分解代謝的主次關(guān)系也在相互轉(zhuǎn)化，逐漸從以合成代謝為主轉(zhuǎn)化為以分解代謝為主，由于這種轉(zhuǎn)化，就使生物個(gè)體的發(fā)展浮現(xiàn)出生長、發(fā)育和衰弱等不同階段。

各種生物都具有各自特異的新陳代謝類型，此特異方式主要決定于遺傳，環(huán)境條件也有一定的影響。但都有共同的特點(diǎn):①絕大多數(shù)代謝反應(yīng)在溫柔條件下，由酶催化進(jìn)行；②繁多的代謝反應(yīng)相互協(xié)同，有條不紊，彼此協(xié)調(diào)且有嚴(yán)格的順序性；③是對內(nèi)外環(huán)境條件高度適應(yīng)和靈敏調(diào)理而成的一個(gè)有規(guī)律的總過程。④每一代謝都有各自的代謝途徑(或稱為代謝的化學(xué)途徑)，代謝反應(yīng)中任一反應(yīng)物、中間物或產(chǎn)物，都稱為代謝物(metabolite)；⑤無論是生物大分子的合成還是生物大分子的分解都是逐步進(jìn)行的，伴隨著的能量吸收和釋放也是逐步進(jìn)行的。

5.1.2代謝的研究方法

代謝研究主要是指中間代謝的研究方法。所謂中間代謝指某一代謝中的一系列酶促反應(yīng)。研究方法主要包括以下幾方面。

1.示蹤法

包括：①苯環(huán)化合物示蹤法，如Knoop利用苯甲酸、苯乙酸標(biāo)記脂肪酸，提出了脂肪酸β-氧化學(xué)說；②穩(wěn)定同位素示蹤法，如利用15NH4Cl，標(biāo)記DNA分子從而證明白DNA

的半保存復(fù)制方式；③放射性同位素示蹤法，如卡爾文以14CO2飼喂植物，再用紙層析分開CO2代謝的中間物，從而提出光合作用中CO2轉(zhuǎn)變?yōu)樘堑难h(huán)代謝——卡爾文循環(huán)(Calvincycle)。

2.抗代謝物、酶抑制劑的應(yīng)用

在離體條件下，使用抗代謝物(如磺胺類藥物)和酶抑制劑來阻抑、改變反應(yīng)，觀測這些反應(yīng)被抑制或改變以后的結(jié)果，從而推測中間代謝的狀況。3.體內(nèi)試驗(yàn)和體外試驗(yàn)

中間代謝研究時(shí)用生物整體進(jìn)行研究，稱之為“體內(nèi)研究〞，用拉丁語“invivo〞(意即“在體內(nèi)〞)表示?！癷nvivo〞也包括用整體器官或微生物細(xì)胞群進(jìn)行的研究。而用組織切片、勻漿、提取液為材料進(jìn)行研究則稱之為體外研究，用“invitro〞或“novivo〞(意即“在體外〞、“在試管內(nèi)〞)表示。

Knoop以犬為研究對象，飼喂苯環(huán)標(biāo)記的脂肪酸，再研究犬尿中苯標(biāo)記物狀態(tài)，是“體內(nèi)研究〞；而最早研究三羧酸循環(huán)的Krebs以肌肉糜(勻漿)為材料，研究酶抑制劑(或抗代謝物)和反應(yīng)物的參與對反應(yīng)中間物和代謝終產(chǎn)物的影響，確定了三羧酸循環(huán)的反應(yīng)歷程，是“體外研究〞。

在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)不同的研究對象采用不同研究方法，但以上方法中最有效、最常用的方法是同位素示蹤法(isotopictracertechnique)。

5.2生物體內(nèi)的糖類

生物體內(nèi)的糖類化合物，按其組成分為單糖、寡糖和多糖。5.2.1單糖

單糖是最簡單的糖，不再被水解成更小的糖單位。根據(jù)其所含碳原子數(shù)目分為丙糖、丁糖、戊糖和己糖。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又分為醛糖和酮糖。任何單糖的構(gòu)型，都是由甘油醛及二羥丙酮派生的(見圖5-1，5-2)。

圖5-1D-醛糖

圖5-1D-酮糖

鏈狀醛糖和酮糖，常由于醛基或酮基(C1或C2)與分子末端—CH2OH(C6或C5)基相鄰的C原子上的—OH形成半縮醛而形成六元環(huán)(吡喃糖)或五元環(huán)(呋喃糖)的環(huán)狀分子，因此其醛基不如一般醛基活潑。糖類環(huán)狀結(jié)構(gòu)的書寫方式常遵循W.N.Haworth提出的規(guī)定:1吡喃糖式寫成六角平面形，呋喃糖式寫成五角平面形；

2鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中左邊的各基團(tuán)寫在環(huán)的平面上，右邊的各基團(tuán)寫在環(huán)的平面下，即“左上右下〞。

3如有環(huán)外碳原子，如吡喃己糖的C6或呋喃戊糖的C5，書寫時(shí)D-型糖環(huán)外碳原子及所帶基團(tuán)在環(huán)平面上，L-型糖環(huán)外碳原子所帶基團(tuán)寫在環(huán)平面下，即“D上L下〞。

4α-D-醛糖C1的—OH在環(huán)平面下，β-D-醛糖C1的—OH在環(huán)平面上，即C1的—OH基寫法是“α下，β上〞。α-酮糖的第1位碳及其基團(tuán)寫在平面上，β-酮糖的第1位碳原子及其基團(tuán)寫在環(huán)平面下。5．2．2寡糖

寡糖(oligosaccharide)是少數(shù)單糖(2～10個(gè))的縮合產(chǎn)物，低聚糖尋常是指20個(gè)以下的單糖的縮合產(chǎn)物。自然界中常見的寡糖見表5-2，常見雙糖結(jié)構(gòu)見圖5-3。

乳糖蔗糖

圖5-3常見雙糖

已發(fā)現(xiàn)在好多重要的動、植物分子中都有寡糖，如糖蛋白、動物激素、抗體、動物生長素等。寡糖也存在于細(xì)胞膜中，糖鏈凸出于細(xì)胞膜表面是細(xì)胞間識別的基礎(chǔ)。

5．2．3多糖

多糖(polysaccharide)是多個(gè)單糖基以糖苷鍵連接而形成的高聚物。常見的多糖多數(shù)由一種類型的糖基組成，如淀粉(starch)(糖原，glucogen)、果膠(pectin)、纖維素(cellulose)、菊粉等(inulin)；也有的含有一種以上的糖及其衍生物殘基，如各種形式的粘多糖(mucoitin)(表5-3)。常見多糖結(jié)構(gòu)見圖5-4。

同多糖（Homo-）雜多糖（hetero）

圖5-4淀粉結(jié)構(gòu)

a.直鏈淀粉，b.支鏈淀粉,c.還原與非還原端

5.3雙糖和多糖的酶促降解

5.3.1蔗糖、麥芽糖、乳糖的酶促降解5.3.1.1蔗糖的水解

蔗糖是在植物界中分布最廣的雙糖，特別是在甘蔗、甜菜和菠蘿的汁液中含量很豐富。蔗糖是重要的光合產(chǎn)物，也是植物體糖類運(yùn)輸?shù)闹饕问?。蔗糖的水解主要通過兩種酶:1.蔗糖合成酶(sucrosesynthetase)催化蔗糖與UDP反應(yīng)生成果糖和尿苷二磷酸葡萄糖

(UDPG)，反應(yīng)可逆。

蔗糖+UDP蔗糖合成酶UDPG+果糖

2蔗糖酶(sucrase)可催化蔗糖水解成葡萄糖和果糖:

蔗糖+H2O葡萄糖+果糖

蔗糖酶又叫轉(zhuǎn)化酶(invertase)，廣泛存在于植物體內(nèi)。蔗糖水解時(shí)，糖苷鍵斷裂的自由能變化為ΔG′=-2762kJ·mol-1，反應(yīng)不可逆。ΔG′表示pH7.0時(shí)的自由能變化(見612)。

5.3.1.2麥芽糖的水解

麥芽糖由麥芽糖酶(maltase)水解形成葡萄糖。在植物體內(nèi)，麥芽糖酶常與淀粉酶同時(shí)存在。

麥芽糖+H2O麥芽糖酶2葡萄糖

5.3.1.3乳糖的水解

乳糖由β-半乳糖苷酶(galactosidase)催化水解形成D-葡萄糖和D-半乳糖。乳糖+H2Oβ-半乳糖苷酶葡萄糖+半乳糖

5.3.2淀粉(糖原)的酶促降解

淀粉是高等植物的貯存多糖。它是人類糧食及動物飼料的重要來源。植物種子萌發(fā)和生長所需的能源主要靠自身的淀粉分解提供。人類及動物在代謝中所需的能量主要由食物中的糖類(淀粉)供給。

動物淀粉——糖原主要保存在肝臟和骨骼肌中，除此之外，細(xì)菌、酵母、真菌及甜玉米中也發(fā)現(xiàn)有糖原的存在。

淀粉(或糖原)在酶的作用下，通過兩種途徑降解：水解，磷酸解，降解的產(chǎn)物也因此而異。

5.3.2.1淀粉的酶促水解

在植物中參與淀粉水解的酶有α-淀粉酶(α-amylase)、β-淀粉酶(β-amylase)、脫支酶(debranchingenzyme)和麥芽糖酶。

1α-淀粉酶為淀粉內(nèi)切酶，其作用方式是在淀粉分子內(nèi)部隨機(jī)切斷(水解)α-1，4糖苷鍵。假使底物是直鏈淀粉，生成葡萄糖和麥芽糖的混合物。假使底物是支鏈淀粉，則水解產(chǎn)物中除上述產(chǎn)物外，還有含有α-1，6糖苷鍵的糊精(圖5-5)。

2β-淀粉酶為淀粉外切酶，水解α-1，4-糖苷鍵，它作用于多糖的非還原端而生成麥芽糖。所以當(dāng)β-淀粉酶作用于直鏈淀粉時(shí)，能生成定量的麥芽糖。當(dāng)?shù)孜餅橹ф湹矸刍蛱窃瓡r(shí)，產(chǎn)物為麥芽糖和極限糊精。后者是淀粉酶不能再分解的支鏈淀粉剩余(圖5-5)。

圖5-5淀粉酶的作用

α-淀粉酶適于作為淀粉粒中淀粉水解酶而廣泛分布于植物中，但在種子中只有萌發(fā)時(shí)才被誘導(dǎo)合成；β-淀粉酶存在于休眠種子中或大豆種子及塊莖、塊根等器官中。兩種淀粉酶的特性不同。α-淀粉酶耐高溫，在70℃時(shí)15min不變性失活，但不耐酸，當(dāng)pH33時(shí)即失去活性；β-淀粉酶恰好相反，70℃下酶蛋白很易變性失活，但在pH33時(shí)仍保持活性。根據(jù)上述性質(zhì)，通過調(diào)理溫度或pH可分別測定兩種酶的活性。淀粉酶也存在于動物和微生物中，如動物消化器官的唾液、小腸中。

3.脫支酶(又稱R酶)是專一水解α-1，6糖苷鍵的酶。支鏈淀粉經(jīng)淀粉酶水解產(chǎn)生的極限糊精，由脫支酶水解去除α-1，6鍵連接的葡萄糖，再在α-淀粉酶和β-淀粉酶作用下完全水解。

4.麥芽糖酶水解淀粉酶解產(chǎn)物麥芽糖和糊精中的α-1，4糖苷鍵，水解產(chǎn)物為葡萄糖。5.3.2.2淀粉的磷酸解

淀粉磷酸化酶(amylophosphorylase)催化α-1，4葡聚糖非還原末端的葡萄糖殘基轉(zhuǎn)移給正磷酸，產(chǎn)生G-1-P，同時(shí)產(chǎn)生的一個(gè)新的非還原末端又重復(fù)上述磷酸解過程。該酶廣泛存在于高等植物的葉片及絕大多數(shù)貯藏器官中。

淀粉+nH3PO4淀粉磷酸化酶nG-1-P

5.3.2.3糖原的磷酸解

糖原磷酸化酶(glycogenphosphorylase)是糖原降解的限速酶，有活性和非活性兩種形態(tài)，分別稱為糖原磷酸化酶a(活化態(tài))和糖原磷酸化酶b(失活態(tài))，兩者在一定條件下可相互轉(zhuǎn)變。糖原磷酸解時(shí)，在酶a的作用下，從糖原非還原端逐個(gè)磷酸解下葡萄糖基，生成G-1-P，切至離分支點(diǎn)4個(gè)葡萄糖殘基處中止，然后由α-1，4-1，6-寡聚糖基轉(zhuǎn)移酶(oligosaccharyltransferase)切下分支點(diǎn)上的麥芽三糖，同時(shí)將它轉(zhuǎn)移到另一鏈上，以α-1，4糖苷鍵連接，被加長了的支鏈仍由糖原磷酸化酶a磷酸解，而連接有1個(gè)葡萄糖殘基的α-1，6糖苷鍵由脫支酶水解形成葡萄糖。糖原磷酸解過程如圖5-6所示。糖原磷酸化酶主要存在于動物肝臟中，通過糖原分解直接補(bǔ)充血糖。

5.4糖酵解

5.4.1糖酵解的概念

自然界中有機(jī)體獲得化學(xué)能的最原始的途徑為糖酵解(glycolysis)。糖酵解是將葡萄糖降解為丙酮酸并伴隨著ATP生成的一系列反應(yīng)，是一切生物有機(jī)體中普遍存在的葡萄糖降解的途徑。糖酵解過程于1940年最終得到說明，在這項(xiàng)研究中，三位生物化學(xué)家GEmbden，O.Meyerhof，J.K.Parnas等的貢獻(xiàn)最大，故糖酵解途徑又稱為Embden-Meyerhof-Parnas途徑，簡稱EMP途徑。

5.4.2糖酵解的化學(xué)歷程

糖酵解在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，可劃分為三個(gè)階段，即己糖的磷酸化、磷酸己糖的裂解及ATP和丙酮酸的生成，在每一階段中，又包含若干反應(yīng)。

5.4.2.1己糖的磷酸化

己糖通過兩次磷酸化反應(yīng)，將葡萄糖活化為1，6-二磷酸果糖，為裂解成2分子磷酸丙糖作準(zhǔn)備。這一階段共消耗2分子ATP，可稱為耗能活化階段，有三步反應(yīng):5．4．2．2磷酸己糖的裂解

這一階段反應(yīng)包括1，6-二磷酸果糖裂解為二分子磷酸丙糖，以及磷酸丙糖的相互轉(zhuǎn)化。5．4．2．33-磷酸甘油醛生成丙酮酸

在此階段有一步氧化反應(yīng)和二步產(chǎn)能反應(yīng)，3-磷酸甘油醛最終生成丙酮酸，釋放的能量

可由ADP轉(zhuǎn)變成ATP貯存。

5．4．3糖酵解的化學(xué)計(jì)量與生物學(xué)意義

在從葡萄糖轉(zhuǎn)變成丙酮酸過程中其凈反應(yīng)如下:

+

C6H12O6+2ADP+2Pi+2NAD→2CH3COCOOH+2ATP+2NADH+2H+2H2O

在糖酵解過程的起始階段消耗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應(yīng)中各形成2分子ATP。因此糖酵解過程凈產(chǎn)生2分子ATP(表5-4)。另外，生成的2分子NADH若進(jìn)入有氧的完全氧化途徑可產(chǎn)生6分子或4分子ATP。

糖酵解的歷程

糖酵解在生物體中普遍存在，它在無氧及有氧條件下都能進(jìn)行，是葡萄糖進(jìn)行有氧或無氧分解的共同代謝途徑。通過糖酵解，生物體獲得生命活動所需的部分能量。對于厭氧生物或供氧不足的組織來說，糖酵解是糖分解的主要形式，也是獲得能量的主要方式。

此外，糖酵解途徑中形成的大量中間產(chǎn)物，可作為合成其他物質(zhì)的原料，如磷酸二羥丙酮可轉(zhuǎn)變?yōu)楦视停峥赊D(zhuǎn)變?yōu)楸彼峄蛞阴oA，后者是脂肪酸合成的原料，這樣就使糖酵解與其他代謝途徑聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)化。

糖酵解途徑雖然有三步反應(yīng)不可逆，但其余反應(yīng)均可逆轉(zhuǎn)，這就為糖異生作用提供了基本途徑。

5．4．4糖酵解的其他底物

葡萄糖不是糖酵解的唯一底物，細(xì)胞中的大量其他糖類通過轉(zhuǎn)變，也可成為糖酵解的底物或中間產(chǎn)物進(jìn)入酵解途徑。不同的糖類有各自的轉(zhuǎn)變途徑。5．4．5丙酮酸的去路

糖酵解生成的終產(chǎn)物如何進(jìn)一步分解代謝，其去路最關(guān)鍵的是取決于氧的有無。在有氧條件下，丙酮酸先氧化脫羧生成乙酰CoA，再經(jīng)三羧循環(huán)和電子傳遞鏈完全氧化成CO2和H2O，并產(chǎn)生比糖酵解多得多的ATP；在無氧條件下，丙酮酸不能進(jìn)一步氧化，或還原生成乳酸，或生成乙醇。

5．4．5．1變?yōu)橐阴oA

在有氧條件下丙酮酸進(jìn)入線粒體變成乙酰CoA參與三羧酸循環(huán)，被完全氧化生成CO2和H2O。

5．4．5．2生成乳酸

在厭氧酵解時(shí)，如乳酸桿菌或肌肉由于猛烈運(yùn)動而暫時(shí)缺氧時(shí)，丙酮酸接受3-磷酸甘油醛脫氫酶形成的NADH上的氫，在乳酸脫氫酶催化下形成乳酸。乳酸發(fā)酵可用于生產(chǎn)奶酪、酸奶、食用泡菜及青貯飼料等。5.4.5.3生成乙醇

在酵母菌或其他微生物中，丙酮酸脫羧酶催化丙酮酸脫羧變成乙醛，該酶需TPP為輔酶。乙醛繼而在醇脫氫酶催化下被NADH還原形成乙醇。乙醇發(fā)酵也存在于真菌和缺氧的植物器官(如淹水的根)中。乙醇發(fā)酵可用于釀酒、面包制作等。在有氧條件下乙醛可被氧化生成乙酸。

丙酮酸的三個(gè)去路

5．4．6糖酵解的調(diào)控

糖酵解中有三步反應(yīng)由于大量釋放自由能而不可逆，它們分別由己糖激酶、磷酸果糖激酶(PFK)和丙酮酸激酶催化。因此這三種酶調(diào)理著糖酵解的速度，以滿足細(xì)胞對ATP和合成原料的需要。

1磷酸果糖激酶是糖酵解過程中最重要的調(diào)理酶，酵解速度主要決定于該酶活性，因此它是一個(gè)限速酶。此酶活性通過幾種途徑被調(diào)理：①AMP是磷酸果糖激酶的別構(gòu)激活劑，而ATP是該酶的別構(gòu)抑制劑。ATP既是該酶作用的底物，又起抑制作用，畢竟起何種作用決定于ATP的濃度及酶的活性中心和別構(gòu)中心對ATP的親和力。該酶的活性中心對ATP的Km值低，而別構(gòu)中心對ATP的Km值高。因此，當(dāng)ATP濃度低時(shí)，ATP和酶的活性中心結(jié)合作為底物，酶發(fā)揮正常的催化功能；當(dāng)ATP濃度高時(shí)，ATP可被酶的別構(gòu)中心結(jié)合，引起酶構(gòu)象改變而失活，ATP是別構(gòu)抑制劑?？傊?，ATP通過濃度變化影響磷酸果糖激酶活性，調(diào)理糖酵解速度。②磷酸果糖激酶還受檸檬酸、脂肪酸別構(gòu)抑制，后兩種物質(zhì)分別是糖有氧分解中間物和以糖分解中間物為原料合成的產(chǎn)物。③受果糖-2，6-二磷酸(F-2，6-BP)調(diào)理，果糖-2，6-二磷酸激酶(PFK2)催化果糖-6-磷酸(F-6-P)磷酸化形成果糖-2，6-二磷酸(F-2，6-BP)；而果糖-2，6-二磷酸酯酶(FBPase2)催化F-2，6-BP水解去磷酸形成F-6-P(圖5-9)。但這兩個(gè)相反催化活性的酶是集兩種活性為同一多肽鏈的雙功能酶，即N端一半為PFK2的活性中心，C端一半為FBPase2活性中心，一般寫作PFK2/FBPase2。F-6-P激活其PFK2活性而抑制其FBPase2活性，而F-2，6-BP猛烈激活PFK。因此，F(xiàn)-6-P高時(shí)促進(jìn)糖酵解進(jìn)行。當(dāng)血液中葡萄糖水平降低時(shí)，激活胰高血糖素釋放于血液中，啟動cAMP級聯(lián)系統(tǒng)使PFK2/FBPase2多肽上特定的一個(gè)Ser殘基磷酸化，而使FBPase2活化、PFK2抑制，使F-2，6-BP水平降低，從而也降低了糖酵解水平。反之，當(dāng)葡萄糖水平高時(shí)，蛋白磷酸酶水解PFK2/FBPase2上的磷酸導(dǎo)致F-2，6-BP升高，提高糖酵解速率。④受H+離子調(diào)理、PFK被H+抑制，因此，在pH明顯下降時(shí)糖酵解速率降低。這防止在缺氧條件下形成過量的乳酸而導(dǎo)致酸毒癥。2己糖激酶己糖激酶的別構(gòu)抑制劑為其產(chǎn)物6-磷酸葡萄糖。當(dāng)磷酸果糖激酶活性被抑制時(shí)，該酶的底物6-磷酸果糖積累，進(jìn)而使6-磷酸葡萄糖的濃度升高，從而引起己糖激酶活性下降。

3丙酮酸激酶丙酮酸激酶活性也受高濃度ATP、丙氨酸、乙酰CoA等代謝物的抑制，這是生成物對反應(yīng)本身的反饋抑制。當(dāng)ATP的生成量超過細(xì)胞自身需要時(shí)，通過丙酮酸激酶的別構(gòu)抑制使糖酵解速度減低。cAMP激活的蛋白激酶也可使丙酮酸激酶磷酸化而失活。F-1，6-P是該酶的激活劑。

5．5三羧酸循環(huán)

大部分生物的糖降解代謝是在有氧條件下進(jìn)行的，糖的有氧降解實(shí)際上是丙酮酸在有氧條件下的完全氧化分解，因此無氧酵解和有氧氧化是在丙酮酸生成以后才分歧的。丙酮酸以后的氧化都是在線粒體中進(jìn)行的，可分為兩個(gè)階段進(jìn)行:丙酮酸氧化為乙酰CoA和乙酰CoA的乙?；糠纸?jīng)過一個(gè)循環(huán)式系列反應(yīng)——三羧酸循環(huán)被完全氧化為CO2和H2O，同時(shí)釋放出大量能量。

5．5．1丙酮酸氧化為乙酰CoA

丙酮酸氧化脫羧形成乙酰CoA的反應(yīng)是連接酵解和三羧酸循環(huán)的中心環(huán)節(jié)，反應(yīng)不可逆，由丙酮酸脫氫酶系催化:

丙酮酸脫氫酶系是一個(gè)多酶復(fù)合體，位于線粒體內(nèi)膜上。組成酶系的共有三種酶:丙酮酸脫羧酶(E1)，硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶(E2)，二氫硫辛酸脫氫酶(E3)。酶系催化的反應(yīng)分5步進(jìn)行(圖5-10)。涉及到的輔因子包括焦磷酸硫胺素(TPP)、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA和Mg2+等6種。

圖5-10丙酮酸脫氫酶系

整個(gè)丙酮酸氧化脫羧反應(yīng)過程，只有第一步脫羧反應(yīng)是不可逆的。由于丙酮酸到乙酰CoA是一個(gè)重要的步驟，處于代謝途徑的分支點(diǎn)，這一反應(yīng)體系受到產(chǎn)物和能量物質(zhì)的調(diào)理:(1)產(chǎn)物抑制:丙酮酸氧化脫羧的3個(gè)產(chǎn)物，其中乙酰CoA抑制硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶E2，NADH抑制二氫硫辛酸脫氫酶E3。抑制效應(yīng)可以被相應(yīng)的反應(yīng)物CoA和NAD+逆轉(zhuǎn)。(2)核苷酸調(diào)理:丙酮酸脫羧酶E1受GTP抑制，為AMP活化，即當(dāng)細(xì)胞內(nèi)富有馬上可利用的能量時(shí)，丙酮酸脫氫酶系活性降低。(3)共價(jià)修飾調(diào)理：當(dāng)細(xì)胞內(nèi)［ATP］/［ADP］、［NADH］/［NAD+］或［乙酰CoA］/［CoA-SH］比值高時(shí)，丙酮酸脫羧酶分子上特別的Ser殘基可被專一的磷酸激酶磷酸化，變得沒有活性，當(dāng)酶上的磷酸基團(tuán)被專一的磷酸酶水解時(shí)又恢復(fù)活性。

552三羧酸循環(huán)

三羧酸循環(huán)(tricarboxylicacidcycle)，簡稱TCA循環(huán)，又名檸檬酸循環(huán)，是德國科學(xué)家Krebs通過總結(jié)前人工作及他本人利用鴿胸肌進(jìn)行的一系列試驗(yàn)于1937年提出的，因此也稱Krebs循環(huán)。這一途徑在動植物、微生物細(xì)胞中普遍存在，不僅是糖分解代謝的主要途徑，也是脂肪、蛋白質(zhì)分解代謝的最終途徑，具有重要的生理意義。這是生物化學(xué)領(lǐng)域

中一項(xiàng)經(jīng)典性成就，為此Krebs于1953年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

5．5．2．1三羧酸循環(huán)的反應(yīng)歷程

三羧酸循環(huán)包括合成、加水、脫氫、脫羧等多步反應(yīng):

1．乙酰輔酶A與草酰乙酸縮合成檸檬酸乙酰CoA在檸檬酸合酶催化下與草酰乙酸縮合成檸檬酸CoA，然后高能硫酯鍵水解形成檸檬酸并釋放CoASH，放出大量能量(ΔG′=-3222kJ·mol-1)使反應(yīng)不可逆。

2、3．檸檬酸異構(gòu)化生成異檸檬酸檸檬酸脫水生成順烏頭酸，然后加水生成異檸檬酸。兩步反應(yīng)均由順烏頭酸酶催化。

4．異檸檬酸氧化脫羧生成α-酮戊二酸反應(yīng)是在異檸檬酸脫氫酶的催化下，異檸檬酸脫下2個(gè)H，其中間物草酰琥珀酸是一個(gè)不穩(wěn)定的β-酮酸，與酶結(jié)合即脫羧形成α-酮戊二酸。5．α-酮戊二酸氧化脫羧反應(yīng)這是三羧酸循環(huán)中第2個(gè)氧化脫羧反應(yīng)，由α-酮戊二酸脫氫酶系催化，該酶系與丙酮酸脫氫酶系的結(jié)構(gòu)和催化機(jī)制相像，并同樣受產(chǎn)物NADH、琥珀酰CoA及ATP、GTP反饋抑制，但不受磷酸化調(diào)理，反應(yīng)不可逆(下式中LSS｜表示二硫辛酸)。6．琥珀酸的生成琥珀酰CoA含有一個(gè)高能硫酯鍵，是高能化合物，在琥珀酸硫激酶催化下，硫酯鍵水解釋放的能量使GDP磷酸化生成GTP，同時(shí)生成琥珀酸。GTP可將磷酰基轉(zhuǎn)給ADP形成ATP。這是三羧酸循環(huán)中唯一的底物水平磷酸化直接產(chǎn)生高能磷酸化合物的反應(yīng)。在植物中琥珀酰CoA直接生成的是ATP而不是GTP。

7．延胡索酸的生成在琥珀酸脫氫酶的催化下，琥珀酸脫氫生成延胡索酸，氫受體是酶的輔基FAD。這是三羧酸循環(huán)中第3步氧化還原反應(yīng)。琥珀酸脫氫酶是TCA循環(huán)中唯一結(jié)合在線粒體內(nèi)膜上并直接與呼吸鏈聯(lián)系的酶，此酶為含鐵的黃素蛋白酶，除含有FAD輔基外，還含有酸不穩(wěn)定硫原子和非血紅素鐵(鐵硫蛋白)。反應(yīng)產(chǎn)物為延胡索酸(反丁烯二酸)而不是順丁烯二酸。丙二酸、戊二酸等是該酶的競爭性抑制劑。

8．蘋果酸的生成延胡索酸在延胡索酸酶作用下水化生成蘋果酸。

9．草酰乙酸的再生蘋果酸在蘋果酸脫氫酶的作用下氧化脫氫生成草酰乙酸，這是TCA循環(huán)的第4次氧化還原反應(yīng)，也是循環(huán)的最終一步反應(yīng)。至此，草酰乙酸又重新形成，又可接受進(jìn)入循環(huán)的乙酰CoA分子。

圖5-11羧酸循環(huán)

5．5．2．2草酰乙酸的回補(bǔ)反應(yīng)

三羧酸循環(huán)中間物是好多生物合成的前體。例如α-酮戊二酸和草酰乙酸是谷氨酸和天冬氨酸合成的碳架；琥珀酰CoA是卟啉環(huán)合成的前體(在動物和細(xì)菌中)；檸檬酸轉(zhuǎn)運(yùn)至胞液后裂解成乙酰CoA用于脂肪酸合成。上述過程均導(dǎo)致草酰乙酸濃度下降，從而影響三羧酸循環(huán)的進(jìn)行，因此必需不斷補(bǔ)充才能維持循環(huán)正常進(jìn)行。這種補(bǔ)充稱為回補(bǔ)反應(yīng)(圖5-12)。草酰乙酸的回補(bǔ)主要通過3個(gè)途徑:

5．5．2．3三羧酸循環(huán)的化學(xué)計(jì)量和特點(diǎn)

三羧酸循環(huán)包含有8種酶催化的9步反應(yīng)(表5-5)，總反應(yīng)式為:

CH3C-SCoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3NADH+FADH2+GTP+CoASH+3H+其中前4步反應(yīng)為三羧酸反應(yīng)，后5步為二羧酸反應(yīng)。循環(huán)有以下特點(diǎn):1.乙酰CoA與草酰乙酸縮合形成檸檬酸，使兩個(gè)碳原子進(jìn)入循環(huán)。在以后異檸檬酸脫氫酶及α-酮戊二酸脫氫酶催化的脫羧反應(yīng)中，有兩個(gè)碳原子以CO2的形式離開循環(huán)，相當(dāng)于乙酰

CoA的2個(gè)碳原子被氧化成CO2。

2.在循環(huán)中底物上有4對氫原子通過4步氧化反應(yīng)脫下，其中有三對是在異檸檬酸、α-酮戊二酸氧化脫羧和蘋果酸氧化時(shí)用以還原NAD+，有一對是琥珀酸氧化時(shí)用以還原FAD。3.由琥珀酰CoA形成琥珀酸時(shí)偶聯(lián)有底物水平磷酸化生成GTP(植物中為ATP)。

4.在循環(huán)中消耗二分子水:一分子用于合成檸檬酸，另一分子用于延胡索酸加水。實(shí)際上在琥珀酰CoA合成酶催化的反應(yīng)中GDP磷酸化所釋放的水也用于高能硫酯鍵的水解