自養(yǎng)生物
分解代謝
糖代謝包括 異養(yǎng)生物
自養(yǎng)生物
合成代謝
異養(yǎng)生物
能量轉(zhuǎn)換（能源)
糖代謝的生物學(xué)功能
物質(zhì)轉(zhuǎn)換（碳源)
可轉(zhuǎn)化成多種中間產(chǎn)物，這些中間產(chǎn)物可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成氨基酸、脂肪酸、核苷酸。
糖的磷酸衍生物可以構(gòu)成多種重要的生物活性物質(zhì)：NAD、FAD、DNA、RNA、ATP。
分解代謝：酵解（共同途徑)、三羧酸循環(huán)（最后氧化途徑)、磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑等。
合成代謝：糖異生、糖原合成、結(jié)構(gòu)多糖合成以及光合作用。
分解代謝和合成代謝，受神經(jīng)、激素、別構(gòu)物調(diào)節(jié)控制。
第一節(jié) 糖酵解 glycolysis
一、 酵解與發(fā)酵
1、 酵解 glycolysis （在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行)
酵解酶系統(tǒng)將Glc降解成丙酮酸，并生成ATP的過程。它是動物、植物、微生物細(xì)胞中Glc分解產(chǎn)生能量的共同代謝途徑。
在好氧有機(jī)體中，丙酮酸進(jìn)入線粒體，經(jīng)三羧酸循環(huán)被徹底氧化成CO2和H2O，產(chǎn)生的NADH經(jīng)呼吸鏈氧化而產(chǎn)生ATP和水，所以酵解是三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化的前奏。
若供氧不足，NADH把丙酮酸還原成乳酸（乳酸發(fā)酵)。
2、 發(fā)酵fermentation
厭氧有機(jī)體（酵母和其它微生物)把酵解產(chǎn)生的NADH上的氫，傳遞給丙酮酸，生成乳酸，則稱乳酸發(fā)酵。
若NAPH中的氫傳遞給丙酮酸脫羧生成的乙醛，生成乙醇，此過程是酒精發(fā)酵。
有些動物細(xì)胞即使在有O2時，也會產(chǎn)生乳酸，如成熟的紅細(xì)胞（不含線粒體)、視網(wǎng)膜。
二、 糖酵解過程（EMP)
Embden-Meyerhof Pathway ，1940
在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行
1、 反應(yīng)步驟
P79 圖 13-1 酵解途徑，三個不可逆步驟是調(diào)節(jié)位點。
（1)、 葡萄糖磷酸化形成G-6-P
反應(yīng)式
此反應(yīng)基本不可逆，調(diào)節(jié)位點。△G0= - 4.0Kcal/mol使Glc活化，并以G-6-P形式將Glc限制在細(xì)胞內(nèi)。
催化此反應(yīng)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�；�)轉(zhuǎn)移到底物上的酶稱激酶，一般需要Mg2+或Mn2+作為輔因子，底物誘導(dǎo)的裂縫關(guān)閉現(xiàn)象似乎是激酶的共同特征。
P 80 圖13-2己糖激酶與底物結(jié)合時的構(gòu)象變化
已糖激酶：專一性不強，可催化Glc、Fru、Man（甘露糖)磷酸化。己糖激酶是酵解途徑中第一個調(diào)節(jié)酶，被產(chǎn)物G-6-P強烈地別構(gòu)抑制。
葡萄糖激酶：對Glc有專一活性，存在于肝臟中，不被G-6-P抑制。Glc激酶是一個誘導(dǎo)酶，由胰島素促使合成，
肌肉細(xì)胞中已糖激酶對Glc的Km為0.1mmol/L，而肝中Glc激酶對Glc的Km為10mmol/L，因此，平時細(xì)胞內(nèi)Glc濃度為5mmol/L時，已糖激酶催化的酶促反應(yīng)已經(jīng)達(dá)最大速度，而肝中Glc激酶并不活躍。進(jìn)食后，肝中Glc濃度增高，此時Glc激酶將Glc轉(zhuǎn)化成G-6-P，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成糖元，貯存于肝細(xì)胞中。
（2)、 G-6-P異構(gòu)化為F-6-P
反應(yīng)式：
由于此反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化很小，反應(yīng)可逆，反應(yīng)方向由底物與產(chǎn)物的含量水平控制。
此反應(yīng)由磷酸Glc異構(gòu)酶催化，將葡萄糖的羰基C由C1移至C2 ，為C1位磷酸化作準(zhǔn)備，同時保證C2上有羰基存在，這對分子的β斷裂，形成三碳物是必需的。
（3)、 F-6-P磷酸化，生成F-1.6-P
反應(yīng)式：
此反應(yīng)在體內(nèi)不可逆，調(diào)節(jié)位點，由磷酸果糖激酶催化。
磷酸果糖激酶既是酵解途徑的限速酶，又是酵解途徑的第二個調(diào)節(jié)酶
（4)、 F-1.6-P裂解成3-磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮（DHAP)
反應(yīng)式：
該反應(yīng)在熱力學(xué)上不利，但是，由于具有非常大的△G0負(fù)值的F-1.6-2P的形成及后續(xù)甘油醛-3-磷酸氧化的放能性質(zhì)，促使反應(yīng)正向進(jìn)行。同時在生理環(huán)境中，3-磷酸甘油醛不斷轉(zhuǎn)化成丙酮酸，驅(qū)動反應(yīng)向右進(jìn)行。
該反應(yīng)由醛縮酶催化，反應(yīng)機(jī)理
P 83
（5)、 磷酸二羥丙酮（DHAP)異構(gòu)化成3-磷酸甘油醛
反應(yīng)式：（注意碳原子編號的變化)
由磷酸丙糖異構(gòu)酶催化。
已糖轉(zhuǎn)化成3-磷酸甘油醛后，C原子編號變化：F-1.6-P的C1-P、C6-P都變成了3-磷酸甘油醛的C3-P
圖解：
（6)、 3-磷酸甘油醛氧化成1.3—二磷酸甘油酸
反應(yīng)式：
由磷酸甘油醛脫氫酶催化。
此反應(yīng)既是氧化反應(yīng)，又是磷酸化反應(yīng)，氧化反應(yīng)的能量驅(qū)動磷酸化反應(yīng)的進(jìn)行。
反應(yīng)機(jī)理：
P84 圖 13-4 3-磷酸甘油醛脫氫酶的催化機(jī)理
碘乙酸可與酶的-SH結(jié)合，抑制此酶活性，砷酸能與磷酸底物競爭，使氧化作用與磷酸化作用解偶連（生成3-磷酸甘油酸)
（7)、 1．3—二磷酸甘油酸轉(zhuǎn)化成3—磷酸甘油酸和ATP
反應(yīng)式：
由磷酸甘油酸激酶催化。
這是酵解過程中的第一次底物水平磷酸化反應(yīng)，也是酵解過程中第一次產(chǎn)生ATP的反應(yīng)。
一分子Glc產(chǎn)生二分子三碳糖，共產(chǎn)生2ATP。這樣可抵消Glc在兩次磷酸化時消耗的2ATP。
（8)、 3—磷酸甘油酸轉(zhuǎn)化成2—磷酸甘油酸
反應(yīng)式：
磷酸甘油酸變位酶催化，磷�；鶑腃3移至C2。
（9)、 2—磷酸甘油酸脫水生成磷酸烯醇式丙酮酸
反應(yīng)式：
烯醇化酶
2—磷酸甘油酸中磷脂鍵是一個低能鍵（△G= -17.6Kj /mol)而磷酸烯醇式丙酮酸中的磷酰烯醇鍵是高能鍵（△G= -62.1Kj /mol)，因此，這一步反應(yīng)顯著提高了磷�；霓D(zhuǎn)移勢能。
（10)、 磷酸烯醇式丙酮酸生成ATP和丙酮酸。
反應(yīng)式：
不可逆，調(diào)節(jié)位點。
由丙酮酸激酶催化，丙酮酸激酶是酵解途徑的第三個調(diào)節(jié)酶，
這是酵解途徑中的第二次底物水平磷酸化反應(yīng)，磷酸烯醇式丙酮酸將磷�；D(zhuǎn)移給ADP，生成ATP和丙酮酸
EMP總反應(yīng)式：
1葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+ → 2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O
2、 糖酵解的能量變化
P87 圖 13-5 糖酵解途徑中ATP的生成
無氧情況下：凈產(chǎn)生2ATP（2分子NADH將2分子丙酮酸還原成乳酸)。
有氧條件下：NADH可通過呼吸鏈間接地被氧化，生成更多的ATP。
1分子NADH→3ATP
1分子FAD →2ATP
因此，凈產(chǎn)生8ATP（酵解2ATP，2分子NADH進(jìn)入呼吸氧化，共生成6ATP)。
但在肌肉系統(tǒng)組織和神經(jīng)系統(tǒng)組織：一個Glc酵解，凈產(chǎn)生6ATP（２+２*２)。
★甘油磷酸穿梭：
2分子NADH進(jìn)入線粒體，經(jīng)甘油磷酸穿梭系統(tǒng)，胞質(zhì)中磷酸二羥丙酮被還原成3—磷酸甘油，進(jìn)入線粒體重新氧化成磷酸二羥丙酮，但在線粒體中的3—磷酸甘油脫氫酶的輔基是FAD，因此只產(chǎn)生4分子ATP。
①：胞液中磷酸甘油脫氫酶。
②：線粒體磷酸甘油脫氫酶。
《羅紀(jì)盛》P 259 P 260。
★蘋果酸穿梭機(jī)制：
胞液中的NADH可經(jīng)蘋果酸脫氫酶催化，使草酰乙酸還原成蘋果酸，再通過蘋果酸—2—酮戊二酸載休轉(zhuǎn)運，進(jìn)入線粒體內(nèi)，由線粒體內(nèi)的蘋果酸脫氫酶催化，生成NADH和草酰乙酸。
而草酰乙酸經(jīng)天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶作用，消耗Glu而形成Asp。Asp經(jīng)線粒體上的載體轉(zhuǎn)運回胞液。在胞液中，Asp經(jīng)胞液中的Asp轉(zhuǎn)氨酶作用，再產(chǎn)生草酰乙酸。
經(jīng)蘋果酸穿梭，胞液中NADH進(jìn)入呼吸鏈氧化，產(chǎn)生3個ATP。
圖
蘋果酸脫氫酶（胞液)
α—酮戊二酸轉(zhuǎn)位酶
蘋果酸脫氫酶（線粒體基質(zhì))
谷—草轉(zhuǎn)氨酶
Glu—Asp轉(zhuǎn)位酶
谷—草轉(zhuǎn)氨酶
草酰乙酸：
蘋果酸：
α—酮戊二酸：
3、 糖酵解中酶的反應(yīng)類型
P88 表13-1 糖酵解反應(yīng)
氧化還原酶（1種)：3—磷酸甘油醛脫氫酶
轉(zhuǎn)移酶（4種)：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種)：醛縮酶
異構(gòu)酶（4種)：磷酸Glc異構(gòu)酶、磷酸丙糖異構(gòu)酶、磷酸甘油酸變位酶、烯醇化酶
三、 糖酵解的調(diào)節(jié)
參閱 P120 糖酵解的調(diào)節(jié)
糖酵解過程有三步不可逆反應(yīng)，分別由三個調(diào)節(jié)酶（別構(gòu)酶)催化，調(diào)節(jié)主要就發(fā)生在三個部位。
1、 已糖激酶調(diào)節(jié)
別構(gòu)抑制劑（負(fù)效應(yīng)調(diào)節(jié)物)：G—6—P和ATP
別構(gòu)激活劑（正效應(yīng)調(diào)節(jié)物)：ADP
2、 磷酸果糖激酶調(diào)節(jié)（關(guān)鍵限速步驟)
抑制劑：ATP、檸檬酸、脂肪酸和H+
激活劑：AMP、F—2.6—2P
ATP：細(xì)胞內(nèi)含有豐富的ATP時，此酶幾乎無活性。
檸檬酸：高含量的檸檬酸是碳骨架過剩的信號。
H+：可防止肌肉中形成過量乳酸而使血液酸中毒。
3、 丙酮酸激酶調(diào)節(jié)
抑制劑：乙酰CoA、長鏈脂肪酸、Ala、ATP
激活劑：F-1.6-P、
四、 丙酮酸的去路
1、 進(jìn)入三羧酸循環(huán)
2、 乳酸的生成
在厭氧酵解時（乳酸菌、劇烈運動的肌肉)，丙酮酸接受了3—磷酸甘油醛脫氫酶生成的NADH上的氫，在乳酸脫氫酶催化下，生成乳酸。
總反應(yīng)： Glc + 2ADP + 2Pi → 2乳酸 + 2ATP + 2H2O
動物體內(nèi)的乳酸循環(huán) Cori 循環(huán)：
圖
肌肉收縮，糖酵解產(chǎn)生乳酸。乳酸透過細(xì)胞膜進(jìn)入血液，在肝臟中異生為Glc，解除乳酸積累引起的中毒。
Cori循環(huán)是一個耗能過程：2分子乳酸生成1分子Glc，消耗6個ATP。
3、 乙醇的生成
酵母或其它微生物中，經(jīng)糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸，可以經(jīng)丙酮酸脫羧酶催化，脫羧生成乙醛，在醇脫氫酶催化下，乙醛被NADH還原成乙醇。
總反應(yīng)：Glc+2pi+2ADP+2H+→2乙醇+2CO2+2ATP+2H20
在厭氧條件下能產(chǎn)生乙醇的微生物，如果有氧存在時，則會通過乙醛的氧化生成乙酸，制醋。
4、 丙酮酸進(jìn)行糖異生
五、 其它單糖進(jìn)入糖酵解途徑
除葡萄糖外，其它單糖也可進(jìn)行酵解
P 91 圖 13-6 各種單糖進(jìn)入糖酵解的途徑
1．糖原降解產(chǎn)物G—1—P
2．D—果糖 有兩個途徑
3．D—半乳糖
4．D—甘露糖
第二節(jié) 三羧酸循環(huán)
葡萄糖的有氧氧化包括四個階段。
①糖酵解產(chǎn)生丙酮酸（2丙酮酸、 2ATP、2NADH)
②丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA
③三羧酸循環(huán)（CO2、H2O、ATP、NADH)
④呼吸鏈氧化磷酸化（NADH-----ATP)
三羧酸循環(huán)：乙酰CoA經(jīng)一系列的氧化、脫羧，最終生成CO2、H2O、并釋放能量的過程，又稱檸檬酸循環(huán)、Krebs循環(huán)。
原核生物：①~④階段在胞質(zhì)中
真核生物：①在胞質(zhì)中，②~④在線粒體中
一、 丙酮酸脫羧生成乙酰CoA
1、 反應(yīng)式：
此反應(yīng)在真核細(xì)胞的線粒體基質(zhì)中進(jìn)行，這是連接糖酵解與TCA的中心環(huán)節(jié)。
2、 丙酮酸脫氫酶系
丙酮酸脫氫酶系是一個十分龐大的多酶體系，位于線粒體膜上，電鏡下可見。
E.coli丙酮酸脫氫酶復(fù)合體：
分子量：4.5×106，直徑45nm，比核糖體稍大。
酶 輔酶 每個復(fù)合物亞基數(shù)
丙酮酸脫羧酶（E1) TPP 24
二氫硫辛酸轉(zhuǎn)乙酰酶（E2) 硫辛酸 24
二氫硫辛酸脫氫酶（E3) FAD、NAD+ 12
此外，還需要CoA、Mg2+作為輔因子
這些肽鏈以非共價鍵結(jié)合在一起，在堿性條件下，復(fù)合體可以解離成相應(yīng)的亞單位，在中性時又可以重組為復(fù)合體。所有丙酮酸氧化脫羧的中間物均緊密結(jié)合在復(fù)合體上，活性中間物可以從一個酶活性位置轉(zhuǎn)到另一個酶活性位置，因此，多酶復(fù)合體有利于高效催化反應(yīng)及調(diào)節(jié)酶在反應(yīng)中的活性。
3、 反應(yīng)步驟
P 93 反應(yīng)過程
（1)丙酮酸脫羧形成羥乙基-TPP
（2)二氫硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶（E2)使羥乙基氧化成乙�；�
（3)E2將乙�；D(zhuǎn)給CoA，生成乙酰-CoA
（4)E3氧化E2上的還原型二氫硫辛酸
（5)E3還原NAD+生成NADH
4、 丙酮酸脫氫酶系的活性調(diào)節(jié)
從丙酮酸到乙酰CoA是代謝途徑的分支點，此反應(yīng)體系受到嚴(yán)密的調(diào)節(jié)控制，此酶系受兩種機(jī)制調(diào)節(jié)。
（1)可逆磷酸化的共價調(diào)節(jié)
丙酮酸脫氫酶激酶（EA)（可被ATP激活)
丙酮酸脫氫酶磷酸酶（EB)
磷酸化的丙酮酸脫氫酶（無活性)
去磷酸化的丙酮酸脫氫酶（有活性)
（2)別構(gòu)調(diào)節(jié)
ATP、CoA、NADH是別構(gòu)抑制劑
ATP抑制E1
CoA抑制E2
NADH抑制E3
5、 能量
1分子丙酮酸生成1分子乙酰CoA，產(chǎn)生1分子NADH（3ATP)。二、 三羧酸循環(huán)（TCA)的過程
TCA循環(huán)：每輪循環(huán)有2個C原子以乙酰CoA形式進(jìn)入，有2個C原子完全氧化成CO2放出，分別發(fā)生4次氧化脫氫，共釋放12ATP。
1、 反應(yīng)步驟
P95 圖13-9 概述三羧酸循環(huán)
（1)、 乙酰CoA+草酰乙酸→檸檬酸
反應(yīng)式：
檸檬酸合酶，TCA中第一個調(diào)節(jié)酶：受ATP、NADH、琥珀酰CoA、和長鏈脂肪酰CoA的抑制；受乙酰CoA、草酸乙酸激活。
檸檬酸合酶上的兩個His殘基起重要作用：
一個與草酰乙酸羰基氧原子作用，使其易受攻擊；另一個促進(jìn)乙酰CoA的甲基碳上的質(zhì)子離開，形成烯醇離子，就可與草酰乙酸縮合成C-C鍵，生成檸檬酰CoA，后者使酶構(gòu)象變化，使活性中心增加一個Asp殘基，捕獲水分子，以水解硫酯鍵，然后CoA和檸檬酸相繼離開酶。
氟乙酰CoA可與草酰乙酸生成氟檸檬酸，抑制下一步反應(yīng)的酶，據(jù)此，可以合成殺蟲劑、滅鼠藥。
圖
氟乙酸本身無毒，氟檸檬酸是烏頭酸酶專一的抑制劑，氟檸檬酸結(jié)合到烏頭酸酶的活性部位上，并封閉之，使需氧能量代謝受毒害。它存在于某些有毒植物葉子中，是已知最能致死的簡單分子之一。LD50 為0.2mg/Kg體重，它比強烈的神經(jīng)毒物二異丙基氟磷酸的LD50小一個數(shù)量級。
（2)、 檸檬酸→異檸檬酸
反應(yīng)式：
這是一個不對稱反應(yīng)，由順鳥頭酸酶催化
P 101 圖13—12 順烏頭酸酶與檸檬酸的不對稱結(jié)合
順烏頭酸酶只能以兩種旋光異構(gòu)方式中的一種與檸檬酸結(jié)合，結(jié)果，它催化的第一步脫水反應(yīng)中的氫全來自草酰乙酸部分，第二步的水合反應(yīng)中的OH也只加在草酰乙酸部分。這種酶與底物以特殊方式結(jié)合（只選擇兩種順反異構(gòu)或旋光異構(gòu)中的一種結(jié)合方式)進(jìn)行的反應(yīng)稱為不對稱反應(yīng)。結(jié)果，TCA第一輪循環(huán)釋放的CO2全來自草酰乙酸部分，乙酰CoA羰基碳在第二輪循環(huán)中釋放，甲基碳在第三輪循環(huán)中釋放50%，以后每循環(huán)一輪釋放余下的50%。
檸檬酸上的羥基是個叔醇，無法進(jìn)一步被氧化。因此，檸檬酸需轉(zhuǎn)變成異檸檬酸，將不能被氧化的叔醇，轉(zhuǎn)化成可以被氧化的仲醇。
90%檸檬酸、4%順烏頭酸、6%異檸檬酸組成平衡混合物，但檸檬酸的形成及異檸檬酸的氧化都是放能反應(yīng)，促使反應(yīng)正向進(jìn)行。
（3)、 異檸檬酸氧化脫羧生成α-酮戊二酸和NADH
反應(yīng)式：
這是三羧酸循環(huán)中第一次氧化脫羧反應(yīng)，異檸檬酸脫氫酶，TCA中第二個調(diào)節(jié)酶：
Mg2+（Mn2+ )、NAD+和ADP可活化此酶，NADH和ATP可抑制此酶活性。
細(xì)胞在高能狀態(tài)：ATP/ADP、NADH/NAD+比值高時，酶活性被抑制。
線粒體內(nèi)有二種異檸檬酸脫氫酶，一種以NAD+為電子受體，另一種以NADP+為受體。前者只在線粒體中，后者在線粒體和胞質(zhì)中都有。
（4)、 α-酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀酰CoA和NADH
反應(yīng)式：
α-酮戊二酸脫氫酶系，TCA循環(huán)中的第三個調(diào)節(jié)酶：受NADH、琥珀酰CoA、Ca2+、ATP、GTP抑制
α-酮戊二酸脫氫酶系為多酶復(fù)合體，與丙酮酸脫氫酶系相似（先脫羧，后脫氫)
（5)、 琥珀酰CoA生成琥珀酸和GTP
反應(yīng)式：
琥珀酰CoA合成酶（琥珀酸硫激酶)
這是TCA中唯一的底物水平磷酸化反應(yīng)，直接生成GTP。
在高等植物和細(xì)菌中，硫酯鍵水解釋放出的自由能，可直接合成ATP。
在哺乳動物中，先合成GTP，然后在核苷二磷酸激酶的作用下，GTP轉(zhuǎn)化成ATP。
（6)、 琥珀酸脫氫生成延胡索酸（反丁烯二酸)和FADH
反應(yīng)式：
琥珀酸脫氫酶是TCA循環(huán)中唯一嵌入線粒體內(nèi)膜的酶。
丙二酸是琥珀酸脫氫酶的競爭性抑制劑，可阻斷三羧酸循環(huán)。
（7)、 延胡索酸水化生成L-蘋果酸
反應(yīng)式：
延胡索酸酶具有立體異構(gòu)特性，OH只加入延胡索酸雙鍵的一側(cè)，因此只形成L-型蘋果酸。
（8)、 L-蘋果酸脫氫生成草酰乙酸和NADH
反應(yīng)式：
