第十章糖类代谢 绿色植物和某些微生物通过光合作用将CO2及水合成糖类,人类及其它生物则利用糖类作为重要的 碳源和能源,以供给机体生命活动的需要。糖代谢是指糖类在生物体内的合成和分解过程。 第一节糖类的膳食利用 糖类为人类提供了主要的膳食热量,此外,它们还提供了期望的质构,好的口感和众人喜爱的甜 味。食物中的糖类可分为营养性糖类(淀粉等)和非营养性糖类(纤维素等)。 人体仅能吸收单糖,不能吸收二糖以上的低聚糖和多糖。单糖能从肠腔快速地转移到血液中。二糖 等低聚糖和多糖则不能从小肠吸收进入血液,这些糖类必须水解成单糖才能被吸收。在生物界存在的大 量和各种多糖及低聚糖中,人类仅能消化淀粉、糖原、一些低聚糖和某些葡萄糖。 淀粉与糖原在口腔中受到唾液α-淀粉酶的作用而开始水解。当淀粉食品进入胃时,仍有少量的酶在 继续作用,同时,由于胃液pH为0.8~1.0也会产生轻度的水解作用。当食品进入十二指肠,此处由于胰 α-淀粉酶与胰β-淀粉酶的作用,才有显著的水解作用,β-淀粉酶作用于淀粉以及由∝-淀粉酶水解产生的碎 片,它从非还原端将麦芽糖单位水解下来,麦芽糖被麦芽糖酶水解成葡萄糖,此酶是由刷状缘细胞释放 出进入小肠肠腔的。D-葡萄糖能有效地从肠腔的刷状缘细胞输送到门静脉的血液中,最大输送速度可达 9979kg/天,是正常需要量的13倍。D-半乳糖也能被有效地输送,其它单糖通过加速扩散而输送的速度 较缓慢。戊糖的吸收慢于己糖。 蔗糖在进入小肠后,在刷状缘细胞中被转化酶水解,D-葡萄糖吸收迅速,但游离的D-果糖则吸收较 慢,一些D-果糖在小肠内转化成D葡萄糖。D-果糖必须通过门静脉血液进入肝脏后,才有85%转化成 D葡萄糖或直接进行代谢。如果蔗糖从静脉注射进入血液,则由肾脏定量排出,这是因为心血管系统没 有转化酶 小肠的乳糖酶将乳糖水解成D-葡萄糖和D-半乳糖,这两种糖均被有效地送到门静脉的血液中去。在 黑人和一些亚洲血统的儿童及成人中,乳糖酶的合成是不足的,而它的合成在童年过后又随年龄的增加 而减少。乳糖酶合成的不足使乳糖在小肠中未能完全水解吸收而残留进入大肠。在大肠中受到大肠微生 物群落的作用转化成醋酸、乳酸以及其它能结合水的产物。当这些酸的量足够多时,就具有通大便的作 用甚至引起腹泻。代谢产生气体则引起腹胀,但比较少见。当进食二糖、三糖与四糖(例如存在于菜豆和 某些大豆组分中的四糖水苏糖)时会产生此种腹胀效应。因水苏糖、棉籽糖是肠中细菌的良好碳源,在其 作用下产生大量气体(甲烷、CO2、H2等)。 除淀粉与糖原之外的多糖不能被胃肠道酶水解,它们进入大肠时基本上没有变化,只有被胃酸轻微 地水解。通常情况下,摄入的多糖如纤维素、半纤维素和植物细胞壁的果胶等虽不能被胃肠道酶水解, 但对人体是有益的。这些多糖成分促进肠壁的蠕动,具有通便作用。非营养性糖类物质可有效提高肠的 运动速度,使不能吸收的分解产物、代谢毒物和大量微生物能较快地排出体外,否则代谢垃圾的积累可 引起发炎或病变。此外,这些非营养性多糖类能擦落肠道表层衰老、中毒细胞、组织,促进胃肠道机 能,提高免疫力,增强对矿物质等人体营养的吸收作用,还可吸附食物及肠道组织中的胆固醇随粪便排 出体外,起到间接降低血中胆固醇含量,阻止动脉粥样硬化等保健作用 膳食中这类不可消化的多糖被称为“膳食纤维”。如果过量地食用果胶和其它植物胶,会引起腹泻, 这是因为它们吸收了大量的水,产生一种粘性溶液或凝胶。有些多糖受到小肠微生物群落的作用后,降 解成小分子碎片,但是一般来说,这些多糖在胃肠道中不能进行代谢。通过小肠进入大肠,在大肠中形 成了大便的主要部分(纤维)。 在正常情况下,糖类能促进脂肪的利用,从而减少脂肪积累与避免肥胖症。膳食糖类能有效加强蛋 白质的合成作用,使组织蛋白质能够即时补充。过分限制膳食中的糖类,对脂肪及蛋白质的代谢都会不 利。此时脂肪动用过多,共代谢产物乙酰CoA会超过机体的代谢能力,因而由乙酰CoA转化而生成的乙 酰乙酸、β-羟丁酸和丙酮酸就积累在机体中,引起“酮症”,主要症状为疲乏、恶心、呕吐等,严重者可致 昏迷。 第二节糖类的合成与降解 光合作用
第十章 糖类代谢 绿色植物和某些微生物通过光合作用将 CO2 及水合成糖类，人类及其它生物则利用糖类作为重要的 碳源和能源，以供给机体生命活动的需要。糖代谢是指糖类在生物体内的合成和分解过程。 第一节 糖类的膳食利用 糖类为人类提供了主要的膳食热量，此外，它们还提供了期望的质构，好的口感和众人喜爱的甜 味。食物中的糖类可分为营养性糖类(淀粉等)和非营养性糖类(纤维素等)。 人体仅能吸收单糖，不能吸收二糖以上的低聚糖和多糖。单糖能从肠腔快速地转移到血液中。二糖 等低聚糖和多糖则不能从小肠吸收进入血液，这些糖类必须水解成单糖才能被吸收。在生物界存在的大 量和各种多糖及低聚糖中，人类仅能消化淀粉、糖原、一些低聚糖和某些葡萄糖。 淀粉与糖原在口腔中受到唾液α-淀粉酶的作用而开始水解。当淀粉食品进入胃时，仍有少量的酶在 继续作用，同时，由于胃液 pH 为 0.8～1.0 也会产生轻度的水解作用。当食品进入十二指肠，此处由于胰 α-淀粉酶与胰β-淀粉酶的作用，才有显著的水解作用，β-淀粉酶作用于淀粉以及由α-淀粉酶水解产生的碎 片，它从非还原端将麦芽糖单位水解下来，麦芽糖被麦芽糖酶水解成葡萄糖，此酶是由刷状缘细胞释放 出进入小肠肠腔的。D-葡萄糖能有效地从肠腔的刷状缘细胞输送到门静脉的血液中，最大输送速度可达 9.979kg/天，是正常需要量的 13 倍。D-半乳糖也能被有效地输送，其它单糖通过加速扩散而输送的速度 较缓慢。戊糖的吸收慢于己糖。 蔗糖在进入小肠后，在刷状缘细胞中被转化酶水解，D-葡萄糖吸收迅速，但游离的 D-果糖则吸收较 慢，一些 D-果糖在小肠内转化成 D-葡萄糖。D-果糖必须通过门静脉血液进入肝脏后，才有 85%转化成 D-葡萄糖或直接进行代谢。如果蔗糖从静脉注射进入血液，则由肾脏定量排出，这是因为心血管系统没 有转化酶。 小肠的乳糖酶将乳糖水解成D-葡萄糖和D-半乳糖，这两种糖均被有效地送到门静脉的血液中去。在 黑人和一些亚洲血统的儿童及成人中，乳糖酶的合成是不足的，而它的合成在童年过后又随年龄的增加 而减少。乳糖酶合成的不足使乳糖在小肠中未能完全水解吸收而残留进入大肠。在大肠中受到大肠微生 物群落的作用转化成醋酸、乳酸以及其它能结合水的产物。当这些酸的量足够多时，就具有通大便的作 用甚至引起腹泻。代谢产生气体则引起腹胀，但比较少见。当进食二糖、三糖与四糖(例如存在于菜豆和 某些大豆组分中的四糖水苏糖)时会产生此种腹胀效应。因水苏糖、棉籽糖是肠中细菌的良好碳源，在其 作用下产生大量气体(甲烷、CO2、H2等)。 除淀粉与糖原之外的多糖不能被胃肠道酶水解，它们进入大肠时基本上没有变化，只有被胃酸轻微 地水解。通常情况下，摄入的多糖如纤维素、半纤维素和植物细胞壁的果胶等虽不能被胃肠道酶水解， 但对人体是有益的。这些多糖成分促进肠壁的蠕动，具有通便作用。非营养性糖类物质可有效提高肠的 运动速度，使不能吸收的分解产物、代谢毒物和大量微生物能较快地排出体外，否则代谢垃圾的积累可 引起发炎或病变。此外，这些非营养性多糖类能擦落肠道表层衰老、中毒细胞、组织，促进胃肠道机 能，提高免疫力，增强对矿物质等人体营养的吸收作用，还可吸附食物及肠道组织中的胆固醇随粪便排 出体外，起到间接降低血中胆固醇含量，阻止动脉粥样硬化等保健作用。 膳食中这类不可消化的多糖被称为“膳食纤维”。如果过量地食用果胶和其它植物胶，会引起腹泻， 这是因为它们吸收了大量的水，产生一种粘性溶液或凝胶。有些多糖受到小肠微生物群落的作用后，降 解成小分子碎片，但是一般来说，这些多糖在胃肠道中不能进行代谢。通过小肠进入大肠，在大肠中形 成了大便的主要部分(纤维)。 在正常情况下，糖类能促进脂肪的利用，从而减少脂肪积累与避免肥胖症。膳食糖类能有效加强蛋 白质的合成作用，使组织蛋白质能够即时补充。过分限制膳食中的糖类，对脂肪及蛋白质的代谢都会不 利。此时脂肪动用过多，共代谢产物乙酰 CoA 会超过机体的代谢能力，因而由乙酰 CoA 转化而生成的乙 酰乙酸、β-羟丁酸和丙酮酸就积累在机体中，引起“酮症”，主要症状为疲乏、恶心、呕吐等，严重者可致 昏迷。 第二节 糖类的合成与降解 一、光合作用 221
绿色植物或光合细菌利用光能将二氧化碳转化成有机物的过程叫做光合作用,通常用下式表示植物 体内光合作用的总过程 6CO2+6HO叶绿素-CdH1206+602 光合作用是自然界将光能转变为化学能的主要途径,由光反应和暗反应共同组成。凡在光下才能进 行的一系列光物理和光化学反应称为光反应;另一些反应的进行不需要光,主要是一些酶促反应,这种 反应称为暗反应。光反应需要光合色素作媒介,将光能转化为化学能,主要包括光合磷酸化反应和水的 光氧化反应。暗反应则主要是二氧化碳的固定和还原反应。 、蔗糖的生物合成与降解 (一)蔗糖的生物合成 蔗糖的合成有以下几条途径 1、蔗糖磷酸化酶途径这是微生物中蔗糖合成的途径。当有无机磷酸存在时,蔗糖磷酸化酶可以将 蔗糖分解为葡萄糖-1-磷酸和果糖,这是一种可逆反应,其反应过程如下 蔗糖磷酸化酶 葡萄糖-1-磷酸+果糖 蔗糖+Pi 2、蔗糖合成酶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,它能利用尿苷 磷酸葡萄糖作为葡萄糖的给体,与果糖合成蔗糖。反应如下 UDPG+果糖一蔗糖合成。UDP+蔗糖 这种酶对UDPG并不是专一性的,也可利用其它的核苷二磷酸葡萄糖如ADPG、TDPG、CDPG和 GDPG作为葡萄糖的给体。 3、蔗糖磷酸合成酶途径反应步骤如下 UDPG十果糖-6-磷酸 糖磷酸合成 UDP+蔗糖磷酸 蔗糖磷酸酯 蔗糖磷酸· 蔗糖+H3PO4 (二)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,所有的转化酶都是β-果糖苷酶 蔗糖+HO-转化醇一葡萄糖+果糖 、上反应是不可逆的,转化酶将蔗糖水解成葡萄糖和果糖,同时释放大量的热能。 三、淀粉、糖原的生物合成与降解 (一)淀粉的生物合成 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,它催化以下生化反应: 淀粉磷酸化酶 葡萄糖-1-磷酸+引子 淀粉+HPO4 “引子”主要是α-葡萄糖1,4键的化合物。∵引子”的功能是作α-葡萄糖的受体,转移来的葡萄糖分子是 结合在“引子”的C4非还原性末端的羟基上 ②D-酶D-酶是一种糖苷转移酶,作用于α-葡萄糖1,4键上,它能将一个麦芽多糖的残余键段转移 到葡萄糖、麦芽糖或其它α-1,4键的多糖上,起着加成作用,故又称加成酶。 ●○+00O。●○○O+○ 麦芽三糖 麦芽五糖 葡萄糖 图10-1D-酶的作用示意图 :(-1,4链●:转移的葡萄糖单位 在淀粉的生物合成过程中,“引子”的产生与D酶的作用有密切的关系。 (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 糖-l-磷酸先合成尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG),催化此反应的酶称为UDPG焦磷酸化酶 葡萄糖-1-磷酸+UTP UDPG+焦磷酸 淀粉合成的第二步是由淀粉合成酶催化的,它是一种葡萄糖转移酶,催化UDPG中的葡萄糖转移到 α-1,4连接的葡聚糖(即“引子”)上,使链加长一个葡萄糖单位:
绿色植物或光合细菌利用光能将二氧化碳转化成有机物的过程叫做光合作用，通常用下式表示植物 体内光合作用的总过程： C6H12O6 6CO2 + 6H2O + 6O2 光 叶绿素 光合作用是自然界将光能转变为化学能的主要途径，由光反应和暗反应共同组成。凡在光下才能进 行的一系列光物理和光化学反应称为光反应；另一些反应的进行不需要光，主要是一些酶促反应，这种 反应称为暗反应。光反应需要光合色素作媒介，将光能转化为化学能，主要包括光合磷酸化反应和水的 光氧化反应。暗反应则主要是二氧化碳的固定和还原反应。 二、蔗糖的生物合成与降解 (一)蔗糖的生物合成 蔗糖的合成有以下几条途径。 1、蔗糖磷酸化酶途径 这是微生物中蔗糖合成的途径。当有无机磷酸存在时，蔗糖磷酸化酶可以将 蔗糖分解为葡萄糖-1-磷酸和果糖，这是一种可逆反应，其反应过程如下： 葡萄糖-1-磷酸 + 果糖 蔗糖 + Pi 蔗糖磷酸化酶 2、蔗糖合成酶途径 蔗糖合成酶又名 UDP-D-葡萄糖：D-果糖、α-葡萄糖基转移酶，它能利用尿苷 二磷酸葡萄糖作为葡萄糖的给体，与果糖合成蔗糖。反应如下： UDPG ＋果糖 UDP＋蔗糖 蔗糖合成酶 这种酶对 UDPG 并不是专一性的，也可利用其它的核苷二磷酸葡萄糖如 ADPG、TDPG、CDPG 和 GDPG 作为葡萄糖的给体。 3、蔗糖磷酸合成酶途径 反应步骤如下： UDPG ＋果糖-6-磷酸 UDP ＋蔗糖磷酸 蔗糖磷酸合成酶 蔗糖磷酸 蔗糖磷酸酯酶 蔗糖＋H3PO4 (二)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，所有的转化酶都是β-果糖苷酶。 蔗糖＋H2O 葡萄糖＋果糖 转化酶 以上反应是不可逆的，转化酶将蔗糖水解成葡萄糖和果糖，同时释放大量的热能。 三、淀粉、糖原的生物合成与降解 (一)淀粉的生物合成 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，它催化以下生化反应： 葡萄糖-1-磷酸 + 引子 淀粉 + H3PO4 淀粉磷酸化酶 “引子”主要是α-葡萄糖 1,4 键的化合物。“引子”的功能是作α-葡萄糖的受体，转移来的葡萄糖分子是 结合在“引子”的C4非还原性末端的羟基上。 (2)D-酶 D-酶是一种糖苷转移酶，作用于α-葡萄糖 1,4 键上，它能将一个麦芽多糖的残余键段转移 到葡萄糖、麦芽糖或其它α-1,4 键的多糖上，起着加成作用，故又称加成酶。 + + 麦芽三糖 (给体) 麦芽三糖 (受体) 麦芽五糖 葡萄糖 D酶 图10-1 D-酶的作用示意图 ： α-1,4链 ：转移的葡萄糖单位 在淀粉的生物合成过程中，“引子”的产生与 D-酶的作用有密切的关系。 (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 葡萄糖-1-磷酸先合成尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)，催化此反应的酶称为 UDPG 焦磷酸化酶。 葡萄糖-1-磷酸＋UTP UDPG＋焦磷酸 淀粉合成的第二步是由淀粉合成酶催化的，它是一种葡萄糖转移酶，催化 UDPG 中的葡萄糖转移到 α-1,4 连接的葡聚糖(即“引子”)上，使链加长一个葡萄糖单位： 222
UDPG+(葡萄糖)淀粉合成酶,UDP+(葡萄糖h1 引子 这个反应重复下去,便可使淀粉链不断地延长。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UDPG快10倍。反应如下: ATP+α-D-葡聚糖-1-磷酸ˉ DPG +PPi ADPG+(葡萄糖h—ADP+(葡萄糖)n+1 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-1,6键。 2、支链淀粉的生物合成由淀粉合成酶只能合成α-1,4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-1,6键,这种a-1,6连结是在另一种称为Q酶(一种分支酶)的作用下形成的。Q酶能 够从直链淀粉的非还原端处切断一个约为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6-羟基处,这样就形成了一个α-1,6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。 (二)糖原的合成 糖原是由许多葡萄糖分子缩合而成的多糖,相对分子质量在100万~1000万之间,是动物细胞贮存 糖的形式 季,糖原合成时,葡萄糖先磷酸化生成G-6-P,这一步受葡萄糖激酶的催化,由ATP提供磷酸和能量。 G-6P进一步转化成G-1-P。在UTP存在下,G-1-P经UDPG焦磷酸化酶催化,生成UDPG。继而它以糖 为引子”,由UDPG糖原转葡萄糖基酶、分支酶催化,最终生成糖原 (三)淀粉和糖原的降解 在生物体内水解酶类作用下,淀粉和糖原降解成糊精、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λ细胞后被磷酸化并经糖酵解作用 降解。淀粉和糖原的另一个降解过程为磷酸解过程。 、水解过程催化淀粉水解的酶称为淀粉酶,它又可分为内淀粉酶和外淀粉酶两种。 α-淀粉酶又称α-1,4-葡聚糖水解酶,是一种内淀粉酶,能以一种无规则的方式水解直链淀粉内部的 键,生成葡萄糖及麦芽糖的混合物。如果底物是支链淀粉,则水解产物中含有支链和非支链寡聚糖类的 混合物,其中存在α-1,6键 β-淀粉酶又称α-1,4-葡聚糖基一麦芽糖基水解酶,为一种外淀粉酶,它作用于多糖的非还原性端而 生成β-麦芽糖(水解过程中发生了构型转变),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原时,则生成的产物为麦芽糖和多分支的β-糊精,因为此酶仅能作用于α 1,4键而不能作用于α-1,6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10-2为αx淀粉酶及β-淀粉酶水解支链淀粉的示意图 a-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pH3.3时,α 淀粉酶就被破坏,但它能耐高温,温度高达70℃(约15min)仍稳定。而β-淀粉酶主要在休眠的种子中存 在,在高温π0℃容易破坏,但对酸比较稳定,在pH3.3时仍不被破坏,所以利用高温或调节pH的方法可 将这两种淀粉酶分开。酶名称中的α与β,并非指其作用于α或β糖苷键,而只是标明水解最终产物。 极限糊精由于α-及β-淀粉酶只能水解淀粉的α-1,4键。所以它们只能使支链淀粉水解45~55%。剩下 的分支组成了一个淀粉酶不能作用的糊精,称为极限糊精。 α-淀粉酶 0吗的 88。。° 8 阝-淀粉醃 8 图10-2α-淀粉酶和β淀粉酶对支链淀粉的分解作用 R-酶又称为脱支酶,只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
UDPG ＋(葡萄糖)n 引子 UDP ＋(葡萄糖)n+1 淀粉合成酶 这个反应重复下去，便可使淀粉链不断地延长。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 UDPG 快 10 倍。反应如下： ATP + α-D-葡聚糖-1-磷酸 ADPG + PPi ADPG ＋(葡萄糖)n 引子 ADP ＋(葡萄糖)n+1 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-1,6 键。 2、支链淀粉的生物合成 由淀粉合成酶只能合成α-1,4 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-1,6 键，这种α-1,6 连结是在另一种称为 Q 酶(一种分支酶)的作用下形成的。Q 酶能 够从直链淀粉的非还原端处切断一个约为 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 6-羟基处，这样就形成了一个α-1,6 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。 (二)糖原的合成 糖原是由许多葡萄糖分子缩合而成的多糖，相对分子质量在 100 万～1000 万之间，是动物细胞贮存 糖的形式。 糖原合成时，葡萄糖先磷酸化生成 G-6-P，这一步受葡萄糖激酶的催化，由 ATP 提供磷酸和能量。 G-6-P 进一步转化成 G-1-P。在 UTP 存在下，G-1-P 经 UDPG 焦磷酸化酶催化，生成 UDPG。继而它以糖 原为“引子”，由 UDPG 糖原转葡萄糖基酶、分支酶催化，最终生成糖原。 (三)淀粉和糖原的降解 在生物体内水解酶类作用下，淀粉和糖原降解成糊精、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。淀粉和糖原的另一个降解过程为磷酸解过程。 1、水解过程 催化淀粉水解的酶称为淀粉酶，它又可分为内淀粉酶和外淀粉酶两种。 α-淀粉酶 又称α-1,4-葡聚糖水解酶，是一种内淀粉酶，能以一种无规则的方式水解直链淀粉内部的 键，生成葡萄糖及麦芽糖的混合物。如果底物是支链淀粉，则水解产物中含有支链和非支链寡聚糖类的 混合物，其中存在α-1,6 键。 β-淀粉酶 又称α-1,4-葡聚糖基—麦芽糖基水解酶，为一种外淀粉酶，它作用于多糖的非还原性端而 生成β-麦芽糖(水解过程中发生了构型转变)，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原时，则生成的产物为麦芽糖和多分支的β-糊精，因为此酶仅能作用于α- 1,4 键而不能作用于α-1,6 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 10-2 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 pH3.3 时，α- 淀粉酶就被破坏，但它能耐高温，温度高达 70℃(约 15min)仍稳定。而β-淀粉酶主要在休眠的种子中存 在，在高温 70℃容易破坏，但对酸比较稳定，在 pH3.3 时仍不被破坏，所以利用高温或调节 pH 的方法可 将这两种淀粉酶分开。酶名称中的α与β，并非指其作用于α或β糖苷键，而只是标明水解最终产物。 极限糊精 由于α-及β-淀粉酶只能水解淀粉的α-1,4 键。所以它们只能使支链淀粉水解 45~55%。剩下 的分支组成了一个淀粉酶不能作用的糊精，称为极限糊精。 -淀粉酶 -淀粉酶 图10-2 -淀粉酶和 -淀粉酶对支链淀粉的分解作用 α β α β + n R-酶 又称为脱支酶，只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。 223
由α-及β-淀粉酶作用剩下的极限糊精中的α-1,6键可被R-酶水解。当β-淀粉酶与脱支酶共同作用时可 将支链淀粉完全降解生成麦芽糖及葡萄糖。由以上三种酶配合作用生成的麦芽糖可以被麦芽糖酶分解为 葡萄糖。 葡萄糖淀粉酶水解淀粉时由非还原尾端进行,水解α-1,4糖苷键,分离出来的葡萄糖构型发生转 变,最后产物全部为β-葡萄糖,没有其它糖,故称为葡萄糖淀粉酶,也属于外切酶。葡萄糖淀粉酶专一性 差,除能水解α-1,4葡萄糖苷键以外,还能水解α-1,6和α-1,3葡萄糖苷键。因此,葡萄糖淀粉酶水解淀粉 能全部生成葡萄糖。 2、磷酸解过程 (1)α-l,4键的降解磷酸化酶能催化淀粉或糖原磷酸解生成葡萄糖-l-磷酸。磷酸化酶有两种类型ε 磷酸化酶a和b。这两种类型的酶可以相互转化,其中a型是活化酶。磷酸化酶a及b的相互转化在调节 组织的糖降解作用中起着重要的作用。 在淀粉磷酸解中形成的葡萄糖-l-磷酸可被磷酸葡萄糖变位酶转化为葡萄糖-6-磷酸(G6-P)。此酶的激活 剂是Mg2或Mn2。生成的葡萄糖-6-磷酸可直接进入糖酵解途径,也可在葡萄糖-6-磷酸酯酶的催化下水解生 成游离的葡萄糖 能x16支链的降解a-淀粉酶、B淀粉酶和淀粉磷酸化酶只能使淀粉或糖原的a-4键分解,它们不 用于α-1,6支链。例如磷酸化酶分解糖原时,当其达到分支外有四个末端残基处即行停止,由图10-3 中可以看到一个分支上的5个α-1,4糖苷键和另一分支上的3个α-1,4糖苷键可被磷酸化酶分解至末端残基 a和D处即停止,这时就需要有一个新的酶参加,即转移酶,它可以动摇一个分支上的三个糖苷残基,c 和z之间的α-14糖苷键断裂。而在c与D之间形成一个新的糖苷键。这一转移使残基2曝露在另一个降 解酶即α-1,6糖苷酶作用下。它能水解残基z和h间的α-1,6糖苷键。因此转移酶和α-1,6糖苷酶一起可将一 个分支结构的糖原转化成为线形的直链结构,后者又可被磷酸化酶分解。z的水解导致a到的全部残基 都能被磷酸化酶作用。值得注意的是目前仍未能将转移酶和α-1,6糖苷酶分开。有人认为它们本身就是 个酶,也有人认为它们是两个紧密连接的酶。 ●●●●●核 0●●●● 磷酸化酶 (释放8个G-1-P) ●●●●核 ●●● 转移酶 ●●●●●核 0●●●● a-16-葡萄糖残基 ●●●●●核 o00●●iJk 图10-3糖原降解的步骤 由此可见淀粉或糖原的降解是由一些不同的酶互相配合进行反应最后才生成葡萄糖 四、纤维素等的生物合成与降解 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-14键连结组成的不分支的葡聚糖。 和蔗糖、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NDPG来合成N代表其它碱基),由纤维素合成酶催化: NDPG+(葡萄糖h--NDP+(葡萄糖)h+1 核苷二磷酸葡萄糖原来的纤维素链核苷二磷酸加长了的纤维素链 糖核苷酸的核苷单位加到原来的纤维素链的一端,使它加长了一个单位。 纤维素是一种结构多糖而不起营养作用,因为哺乳动物不含纤维素酶,所以不能消化食物中的纤维 素,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
由α-及β-淀粉酶作用剩下的极限糊精中的α-1,6 键可被 R-酶水解。当β-淀粉酶与脱支酶共同作用时可 将支链淀粉完全降解生成麦芽糖及葡萄糖。由以上三种酶配合作用生成的麦芽糖可以被麦芽糖酶分解为 葡萄糖。 葡萄糖淀粉酶 水解淀粉时由非还原尾端进行，水解α-1,4 糖苷键，分离出来的葡萄糖构型发生转 变，最后产物全部为β-葡萄糖，没有其它糖，故称为葡萄糖淀粉酶，也属于外切酶。葡萄糖淀粉酶专一性 差，除能水解α-1,4 葡萄糖苷键以外，还能水解α-1,6 和α-1,3 葡萄糖苷键。因此，葡萄糖淀粉酶水解淀粉 能全部生成葡萄糖。 2、磷酸解过程 (1) α-1,4 键的降解 磷酸化酶能催化淀粉或糖原磷酸解生成葡萄糖-1-磷酸。磷酸化酶有两种类型： 磷酸化酶 a 和 b。这两种类型的酶可以相互转化，其中 a 型是活化酶。磷酸化酶 a 及 b 的相互转化在调节 组织的糖降解作用中起着重要的作用。 在淀粉磷酸解中形成的葡萄糖-1-磷酸可被磷酸葡萄糖变位酶转化为葡萄糖-6-磷酸(G-6-P)。此酶的激活 剂是Mg2+或Mn2+。生成的葡萄糖-6-磷酸可直接进入糖酵解途径，也可在葡萄糖-6-磷酸酯酶的催化下水解生 成游离的葡萄糖。 (2)α-1,6 支链的降解 α-淀粉酶、β-淀粉酶和淀粉磷酸化酶只能使淀粉或糖原的α-1,4 键分解，它们不 能作用于α-1,6 支链。例如磷酸化酶分解糖原时，当其达到分支外有四个末端残基处即行停止，由图 10-3 中可以看到一个分支上的 5 个α-1,4 糖苷键和另一分支上的 3 个α-1,4 糖苷键可被磷酸化酶分解至末端残基 a 和 D 处即停止，这时就需要有一个新的酶参加，即转移酶，它可以动摇一个分支上的三个糖苷残基，c 和 z 之间的α-1,4 糖苷键断裂。而在 c 与 D 之间形成一个新的糖苷键。这一转移使残基 2 曝露在另一个降 解酶即α-1,6 糖苷酶作用下。它能水解残基 z 和 h 间的α-1,6 糖苷键。因此转移酶和α-1,6 糖苷酶一起可将一 个分支结构的糖原转化成为线形的直链结构，后者又可被磷酸化酶分解。z 的水解导致 a 到 l 的全部残基 都能被磷酸化酶作用。值得注意的是目前仍未能将转移酶和α-1,6 糖苷酶分开。有人认为它们本身就是一 个酶，也有人认为它们是两个紧密连接的酶。 核 磷酸化酶 (释放8个G-1-P) 转移酶 -1,6-葡萄糖残基核 核 核 核 图10-3 糖原降解的步骤 a b c d e f g a b c d e f g d e f g a b c h i j k l h i j k l h i j k l z α 由此可见淀粉或糖原的降解是由一些不同的酶互相配合进行反应最后才生成葡萄糖。 四、纤维素等的生物合成与降解 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-1,4 键连结组成的不分支的葡聚糖。 和蔗糖、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 NDPG 来合成(N 代表其它碱基)，由纤维素合成酶催化： NDPG + (葡萄糖)n NDP + (葡萄糖)n+1 核苷二磷酸葡萄糖 原来的纤维素链 核苷二磷酸 加长了的纤维素链 糖核苷酸的核苷单位加到原来的纤维素链的一端，使它加长了一个单位。 纤维素是一种结构多糖而不起营养作用，因为哺乳动物不含纤维素酶，所以不能消化食物中的纤维 素，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。 224
植物细胞壁中还有半纤维素、果胶和糖蛋白,对这些物质的生物合成仍很少了解。在有些植物中则 事先在细胞膜内的囊泡中由高尔基体合成细胞壁的短小片段,然后此片段从细胞中挤出并与膜外的胞壁 结构结合。 第三节糖类的中间代谢 、糖酵解和发酵 糖酵解,也称为 EmbDen- Meyerhof-Path途径,是将葡萄糖转变成酮酸并同时生成ATP的一系列反应 是一切有机体中都存在的葡萄糖降解途径。糖酵解是自然界从有机化合物获得化学能最原始的方法。在 需氧的生物中,糖酵解是三羧酸循环及电子传递链的序曲,后者可以从葡萄糖中获得大部分的能量,在 有氧的条件下,丙酮酸进入线粒体,在该处丙酮酸被彻底氧化成CO2和H2O。如果氧气不足,如强烈收缩 的肌肉,则丙酮酸被转变成乳酸。在有些微生物中,如酵母,丙酮酸转变成乙醇,由葡萄糖形成乙醇及 乳酸称为发酵 糖原酵解和淀粉发酵的化学过程如图104 淀粉在肠道经消化,分解为葡萄糖后进入机体内,但细胞一般不能储存葡萄糖。糖的快速有效的储 存形式,特别是在肝和骨骼肌中是糖原。当肌体需要动用糖原供能时,在有磷酸供给下,经磷酸化酶作 用,形成葡萄糖-1-磷酸(G-1-P)。继而形成葡萄糖-6-磷酸(G-6-P)。进入机体内的葡萄糖唯一的命运是经磷 酸化作用形成G6-P。所有细胞都能进行葡萄糖代谢。这是一个耗能反应。它是酵解过程的第一个限制速 率的步骤。 糖原(淀粉) COOH kup糖醛酸途径 羧酸循环 CHOH G-1-P H3乳酸 G-6-P-磷酸己糖旁路 COOH 6 葡萄 F-6-P CH ADP ATP CH3 0丙酮酸 (2H)乙醇消2O COOH 2COH 淀粉 >2NA H2O"⑤"CHO CH, CHOH 醇式丙酮酸 2ATP等 CHOP CH,O 2ADRO 磷酸二羟基丙酮3磷酸甘油醛 COOH 2 (NADH+H) HS 2CO-① 2(2H) CH? 2-磷酸烯醇式丙酮酸 2CHOH CH,OP A COOH 2CHO① 2H3 PO4 CH,OH (10 2CHOH 2-磷酸甘油酸 2CHOH CH2O2ATP2 ADP CH2O① 1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 图10-4糖原酵解、淀粉发酵的化学过程 图中:G=葡萄糖F=果糖P=一POH2 ①磷酸化酶:②葡萄糖磷酸变位酶:③葡萄糖磷酸冋分异枃酶:④果糖磷酸激酶:⑤醛缩酶:⑥丙糖磷酸同分异构酶:⑦ 磷酸甘油醛脱氢酶(HS-酶)结合:⑧磷酸甘油醛脱氢酶(HS-酶)复原:⑨磷酸甘油酸激酶:⑩磷酸甘油酸变位酶:①烯醇化 酶:⑩丙酮酸激酶:⑩非酶反应:⑩乳酸脱氢酶:⑥丙酮酸脱羧酶:⑥乙醇脱氢酶:⑩已糖激酶、肝内葡萄糖激酶
植物细胞壁中还有半纤维素、果胶和糖蛋白，对这些物质的生物合成仍很少了解。在有些植物中则 事先在细胞膜内的囊泡中由高尔基体合成细胞壁的短小片段，然后此片段从细胞中挤出并与膜外的胞壁 结构结合。 第三节 糖类的中间代谢 一、糖酵解和发酵 糖酵解，也称为EmbDen-Meyerhof-Path途径，是将葡萄糖转变成酮酸并同时生成ATP的一系列反应， 是一切有机体中都存在的葡萄糖降解途径。糖酵解是自然界从有机化合物获得化学能最原始的方法。在 需氧的生物中，糖酵解是三羧酸循环及电子传递链的序曲，后者可以从葡萄糖中获得大部分的能量，在 有氧的条件下，丙酮酸进入线粒体，在该处丙酮酸被彻底氧化成CO2和H2O。如果氧气不足，如强烈收缩 的肌肉，则丙酮酸被转变成乳酸。在有些微生物中，如酵母，丙酮酸转变成乙醇，由葡萄糖形成乙醇及 乳酸称为发酵。 糖原酵解和淀粉发酵的化学过程如图 10-4。 淀粉在肠道经消化，分解为葡萄糖后进入机体内，但细胞一般不能储存葡萄糖。糖的快速有效的储 存形式，特别是在肝和骨骼肌中是糖原。当肌体需要动用糖原供能时，在有磷酸供给下，经磷酸化酶作 用，形成葡萄糖-1-磷酸(G-1-P)。继而形成葡萄糖-6-磷酸(G-6-P)。进入机体内的葡萄糖唯一的命运是经磷 酸化作用形成 G-6-P。所有细胞都能进行葡萄糖代谢。这是一个耗能反应。它是酵解过程的第一个限制速 率的步骤。 糖原(淀粉) 糖醛酸途径 G-1-P G-6-P 磷酸己糖旁路 F-6-P ATP ADP F-1,6-2P C O CH2O CH2OH CHOH CHO P P 磷酸二羟基丙酮 3-磷酸甘油醛 HS-酶 HC CH2O S 酶 OH P CHOH C CH2O O O ~ 2H3PO4 2ATP 2ADP CHOH COOH CH2O CHO COOH CH2OH 2H2O COOH CH2 2CO 2ATP 2ADP COOH CH2 2COH COOH CH3 2C O 三羧酸循环 (TCA)环 COOH CH3 2CHOH ① ② ③ ④ ⑤ ⑦ ⑧ ⑩ ⑨ 12 13 nH3PO4 ADP ATP 葡萄糖 CH3 CHO CH3 CH2OH 2 2 2(2H) 乙醇 消 化 H2O 2NAD+ 2(2H) 烯醇式丙酮酸 1,3-二磷酸甘油酸 Mg2+ Mg2+ Mg2+ 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸 2-磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 2 2 2CHOH CH2O 2 11 ~ 淀粉 2(NADH+H+ ) 17 ⑥ = P P P P P = 14 15 16 乳酸 图 10-4 糖原酵解、淀粉发酵的化学过程 图中：G=葡萄糖 F=果糖 P= —PO3H2 ①磷酸化酶；②葡萄糖磷酸变位酶；③葡萄糖磷酸同分异构酶；④果糖磷酸激酶；⑤醛缩酶；⑥丙糖磷酸同分异构酶；⑦ 磷酸甘油醛脱氢酶(HS-酶)结合；⑧磷酸甘油醛脱氢酶(HS-酶)复原；⑨磷酸甘油酸激酶；⑩磷酸甘油酸变位酶；○11 烯醇化 酶；○12 丙酮酸激酶；○13 非酶反应；○14 乳酸脱氢酶；○15 丙酮酸脱羧酶；○16 乙醇脱氢酶；○17 已糖激酶、肝内葡萄糖激酶。 225
G-6-P再由磷酸葡萄糖同分异枃酶催化,快速形成果糖-6-磷酸(F-6-P)。反应可逆。平衡时,醛糖与酮 糖的比值为73。在有ATP和Mg2存在下,F-6P为果糖磷酸激酶催化形成果糖-16-二磷酸(F-1,6-2P)。它 是酵解过程的第二个限速步骤。 在醛缩酶催化下,F-1,6-2P的C3和C4之间断裂,产生磷酸二羟丙酮与磷酸甘油醛,仅后者能继续进入 酵解过程,二者能互相转化。磷酸甘油醛在有NAD′和H3PO存在下,被磷酸甘油醛脱氢酶所催化,形成 1,3-二磷酸甘油酸。磷酸甘油醛脱氢酶对强的酵解抑制剂碘乙酸特别敏感。 1,3-二磷酸甘油酸在有ADP和Mg2存在下,经磷酸甘油酸激酶催化,将前述反应中所形成的高能磷酸 转移给ADP,从而形成3-磷酸甘油酸。当一CHO被氧化成一COOH时,释放的能量以一分子ATP的化学 键能保存起来 磷酸甘油酸,经磷酸甘油酸变位酶催化转变为α-磷酸甘油酸。再经催化脱水,形成磷酸烯醇式丙 酮酸。在有ADP、Mg2和高浓度K存在下,经丙酮酸激酶催化,磷酸烯醇式丙酮酸上的高能磷酸键转移 到AD上而形成ATP和烯醇式丙酮酸,这是酵解过程的第三个限速步骤 烯醇式丙酮酸经分子内重排形成丙酮酸,这是非酶促反应。 糖酵解进行到丙酮酸这一步,代谢途径就开始分叉。丙酮酸的去路有三条 (1)在肌肉中,在有NADH+H存在下,丙酮酸在乳酸脱氢酶催化下,形成乳酸。剧烈运动后肌肉酸胀 就是乳酸积累过多产生的。 2)丙酮酸在酵母菌或其它生物中,经丙酮酸脱羧酶催化,脱羧形成乙醛,继而经乙醇脱氢酶催化, 由3-磷酸甘油醛脱下的H还原形成乙醇 (3)在有氧条件下,丙酮酸经脱羧形成乙酰辅酶A,在线粒体中经三羧酸循环(TCAC)氧化成CO2和 H2O,这是糖类彻底氧化的主要途径 、三羧酸循环 在有氧条件下,酵解产物丙酮酸被氧化、分解成CO2和H2O,并以ATP形式贮存大量能量,这种代谢 系统叫三羧酸循环(简称τ℃λ循环)和氧化磷酸化系统(图1⑩0-5)。三羧酸循环又称为 Krebsαycle或柠檬酸循 环,主要在线粒体中进行。三羧酸循环中脱下的氢经线粒体内膜嵴上的电子传递系统,即呼吸链,最后 传递给氧生成水,并放出能量。 羧酸循环的全过程可概括如下 (1)丙酮酸氧化脱羧形成乙酰辅酶A。 三羧酸循环的第一个反应是丙酮酸的氧化脱羧反应,即将丙酮酸转变为乙酰辅酶A的复杂反应,该步 反应是在细胞质中进行的。它是连接酵解和三羧酸循环的中心环节,丙酮酸氧化脱羧反应是由酮酸脱氢 酶复合体催化的。这个氧化脱羧作用需要三种不同的酶和六种辅助因素,其辅助因素有 CoA-SH、FAD NAD、硫辛酸、焦磷酸硫胺素(TPP)和Mg2(图10-6)。催化脱羧基作用的第一个酶是丙酮酸脱氢酶(E1 该酶表现活性时必须有TPP、Mg2和硫辛酸存在。催化第二步和第三步反应的酶依次是硫辛酸转乙酰基 酶(E2)和二氢硫辛酸脱氢酶(E3) 在糖代谢中,从丙酮酸氧化脱羧生成乙酰-CoA是一关键性不可逆转步骤。丙酮酸氧化脱羧生成乙酰- oA的作用受到下列因素的调节控制 ①产物抑制丙酮酸氧化作用的产物乙酰-CoA和NADH抑制丙酮酸氧化脱羧的作用。具体说来,前 者抑制二氢硫辛酸转乙酰基酶(E2),后者抑制二氢硫辛酸脱氢酶(E)。这些抑制作用为CoA和NAD所逆 转 ②核苷酸的反馈调节丙酮酸氧化脱羧作用是由能量负荷控制的,特别是丙酮酸脱氢酶(E1)为GIP所 控制,为AMP所活化 ③共价修饰调节当丙酮酸脱氢酶分子上特定的丝氨酸基为ATP所磷酸化时,丙酮酸氧化脱羧作用 即停止,直到磷酸化基团被特异的磷酸酶移去时为止。这种反应为丙酮酸和ADP所抑制
G-6-P再由磷酸葡萄糖同分异构酶催化，快速形成果糖-6-磷酸(F-6-P)。反应可逆。平衡时，醛糖与酮 糖的比值为 7:3。在有ATP和Mg2+存在下，F-6-P为果糖磷酸激酶催化形成果糖-1,6-二磷酸(F-1,6-2P)。它 是酵解过程的第二个限速步骤。 在醛缩酶催化下，F-1,6-2P的C3和C4之间断裂，产生磷酸二羟丙酮与磷酸甘油醛，仅后者能继续进入 酵解过程，二者能互相转化。磷酸甘油醛在有NAD＋ 和H3PO4存在下，被磷酸甘油醛脱氢酶所催化，形成 1,3-二磷酸甘油酸。磷酸甘油醛脱氢酶对强的酵解抑制剂碘乙酸特别敏感。 1,3-二磷酸甘油酸在有ADP和Mg2＋ 存在下，经磷酸甘油酸激酶催化，将前述反应中所形成的高能磷酸 转移给ADP，从而形成 3-磷酸甘油酸。当－CHO被氧化成－COOH时，释放的能量以一分子ATP的化学 键能保存起来。 3-磷酸甘油酸，经磷酸甘油酸变位酶催化转变为 2-磷酸甘油酸。再经催化脱水，形成磷酸烯醇式丙 酮酸。在有ADP、Mg2＋和高浓度K＋存在下，经丙酮酸激酶催化，磷酸烯醇式丙酮酸上的高能磷酸键转移 到ADP上而形成ATP和烯醇式丙酮酸，这是酵解过程的第三个限速步骤。 烯醇式丙酮酸经分子内重排形成丙酮酸，这是非酶促反应。 糖酵解进行到丙酮酸这一步，代谢途径就开始分叉。丙酮酸的去路有三条： (1)在肌肉中，在有NADH+H＋ 存在下，丙酮酸在乳酸脱氢酶催化下，形成乳酸。剧烈运动后肌肉酸胀 就是乳酸积累过多产生的。 (2)丙酮酸在酵母菌或其它生物中，经丙酮酸脱羧酶催化，脱羧形成乙醛，继而经乙醇脱氢酶催化， 由 3-磷酸甘油醛脱下的 H 还原形成乙醇。 (3)在有氧条件下，丙酮酸经脱羧形成乙酰辅酶A，在线粒体中经三羧酸循环(TCAC)氧化成CO2和 H2O，这是糖类彻底氧化的主要途径。 二、三羧酸循环 在有氧条件下，酵解产物丙酮酸被氧化、分解成CO2和H2O，并以ATP形式贮存大量能量，这种代谢 系统叫三羧酸循环(简称TCA循环)和氧化磷酸化系统(图 10-5)。三羧酸循环又称为Krebs cycle或柠檬酸循 环，主要在线粒体中进行。三羧酸循环中脱下的氢经线粒体内膜嵴上的电子传递系统，即呼吸链，最后 传递给氧生成水，并放出能量。 三羧酸循环的全过程可概括如下： (1)丙酮酸氧化脱羧形成乙酰辅酶 A。 三羧酸循环的第一个反应是丙酮酸的氧化脱羧反应，即将丙酮酸转变为乙酰辅酶A的复杂反应，该步 反应是在细胞质中进行的。它是连接酵解和三羧酸循环的中心环节，丙酮酸氧化脱羧反应是由酮酸脱氢 酶复合体催化的。这个氧化脱羧作用需要三种不同的酶和六种辅助因素,其辅助因素有CoA-SH、FAD、 NAD＋ 、硫辛酸、焦磷酸硫胺素(TPP＋ )和Mg2＋ (图 10-6)。催化脱羧基作用的第一个酶是丙酮酸脱氢酶(E1), 该酶表现活性时必须有TPP＋ 、Mg2＋ 和硫辛酸存在。催化第二步和第三步反应的酶依次是硫辛酸转乙酰基 酶(E2)和二氢硫辛酸脱氢酶(E3)。 在糖代谢中，从丙酮酸氧化脱羧生成乙酰-CoA 是一关键性不可逆转步骤。丙酮酸氧化脱羧生成乙酰- CoA 的作用受到下列因素的调节控制： ①产物抑制 丙酮酸氧化作用的产物乙酰-CoA和NADH抑制丙酮酸氧化脱羧的作用。具体说来，前 者抑制二氢硫辛酸转乙酰基酶(E2)，后者抑制二氢硫辛酸脱氢酶(E3)。这些抑制作用为CoA和NAD＋ 所逆 转。 ②核苷酸的反馈调节 丙酮酸氧化脱羧作用是由能量负荷控制的，特别是丙酮酸脱氢酶(E1)为GTP所 控制，为AMP所活化。 ③共价修饰调节 当丙酮酸脱氢酶分子上特定的丝氨酸基为 ATP 所磷酸化时，丙酮酸氧化脱羧作用 即停止，直到磷酸化基团被特异的磷酸酶移去时为止。这种反应为丙酮酸和 ADP 所抑制。 226
CH2-Co--COoH NAD CoASH NADHP+H NADH+H CH3 SCOA 乙酰C NADP CO→COOH CH,-COOH 草酰乙酸②、「H2COOH NADH+H CH(OH)--COOH NAD COASH C(OH) COOH CH2COOH CH,COOH 苹果酸 柠檬酸 H2O CH--COOH CH,COOH CHCOOH CHCOOH 延胡索酸 CH(OH COOH 于FADH2 异柠檬酸 NAD(P) FAD NAD(P)H+H CH,-COOH ATP CH COOH H,COOH 琥珀酸 CHCOOH GDP+Pi COCOOH COASH 草酰琥珀酸 ONSCOA NADH+H NAD CH2COOH CH CH2 COCOOH 酮戊二酸 COOH CO? CoASH 琥珀酰CoA 图10-5三羧酸循环和氧化磷酸化 ①丙酮酸脱氢酶复合体:②柠檬酸合成酶:③顺乌头酸酶:④⑤异柠檬酸脱氢酶:⑥α-酮戊二酸脱氢酶复合体:⑦琥珀酰 CoA合成酶;⑧琥珀酸脱氢酶:⑨延胡索酸酶;⑩L-苹果酸脱氢酶:①苹果酸酶:◎丙酮酸羧化酶 (2)在柠檬酸合成酶催化下,将乙酰Co∧乙酰基上的甲基与草酰乙酸连接,形成柠檬酸。 (3)拧檬酸在顺乌头酸酶催化下转变为顺乌头酸,继而又转变为异柠檬酸
CO COOH CH2 COOH C(OH)COOH CH2COOH CH2COOH CHCOOH CH(OH)COOH CH2COOH CHCOOH COCOOH CH2COOH CH2 COCOOH CH2COOH CH2 COOH CH2 CO SCoA CH2 COOH CH2 COOH CH COOH CH COOH CH(OH) COOH CH2 COOH CH3 CO COOH CO CO2 2 NADHP+H+ NADP+ 苹果酸 H2O 延胡索酸 FADH2 FAD 琥珀酸 CoASH GTP GDP+Pi NADH+H+ NAD+ NADH+H+ NAD+ ATP ATP O2 CO2 CoASH 琥珀酰CoA -酮戊二酸 CO2 草酰琥珀酸 NAD(P)H+H+ NAD(P)+ 柠檬酸 H2O CoASH NAD+ NADH+H+ CoASH CO2 CH3CO SCoA 乙酰CoA 丙酮酸 12 11 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ 异柠檬酸 草酰乙酸 ~ α ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ATP 图 10-5 三羧酸循环和氧化磷酸化 ①丙酮酸脱氢酶复合体；②柠檬酸合成酶；③顺乌头酸酶；④⑤异柠檬酸脱氢酶；⑥α-酮戊二酸脱氢酶复合体；⑦琥珀酰 CoA 合成酶；⑧琥珀酸脱氢酶；⑨延胡索酸酶；⑩L-苹果酸脱氢酶；○11 苹果酸酶；○12 丙酮酸羧化酶 (2)在柠檬酸合成酶催化下，将乙酰-CoA 乙酰基上的甲基与草酰乙酸连接，形成柠檬酸。 (3)柠檬酸在顺乌头酸酶催化下转变为顺乌头酸，继而又转变为异柠檬酸。 227
NAD NADH+H 内酮酸 TPP ICH3 CHOITPP* S TPP/CH CO-S- CHaCO-SCoA HS→ 图10-6丙酮酸的氧化脱羧基作用 图中E1为丙酮酸脱氢酶,E2为硫辛酸转乙酰基酶,E3为二氢硫辛酸脱氢酶 CHCOOH CHCOOH CH(OH)COOH (OHCOOH COOH CHCOOH * CHCOOH H2O *CH COOH H,O 本CH2COOH 柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸 (4)异柠檬酸在NAD'或NAD尸存在下,经异柠檬酸脱氢酶催化、脱氢,形成草酰琥珀酸。 (5)草酰琥珀酸不脱去羧基,在异柠檬酸脱氢酶(需Mg2)催化下,形成α-酮戊二酸 6)α-酮戊二酸在有TPP、硫辛酸、 HSCOA、FAD和NAD存在下,经α-酮戊二酸脱氢酶催化脱羧基, 形成琥珀酰辅酶A。 ()琥珀酰辅酶A在有GDP+Pi和Mg2存在下,经琥珀酰辅酶A合成酶催化,脱去辅酶A,生成琥珀酸 和鸟嘌呤核苷三磷酸(GIP)。然后,GTP再将高能键转给腺嘌呤核苷二磷酸(ADP)生成ATP。 GTP+ ADP GDP+ ATP (8)琥珀酸在有FAD存在下,经琥珀酸脱氢酶催化形成延胡索酸。丙二酸是一种特异的琥珀酸氧化的 竞争性抑制剂 (9)延胡索酸在延胡索酸酶催化下形成苹果酸。 (10)苹果酸在有NAD存在下,经L苹果酸脱氢酶催化、脱氢,再生成草酰乙酸。 (11)苹果酸经以NADP为辅酶的苹果酸酶催化,也能生成丙酮酸。 (12)草酰乙酸在有AD、无机磷酸和Mg2存在下,经丙酮酸羧化酶催化脱羧基生成丙酮酸。由于某 些组织中草酰乙酸的含量很低,进行上述可逆反应是不可能的。代替它的是:草酰乙酸在有GTP存在下 经磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶催化,脱羧基生成磷酸烯醇式丙酮酸。 GTP CH,-COOH 草酰乙酸 CO, COOH 磷酸烯醇式丙酮酸 由于该酶对CO亲和力很低,CO易被移去,这就保证了该酶仅催化磷酸烯醇式丙酮酸的生成反应。 磷酸烯醇式丙酮酸在有ADP、Mg2和高浓度K存在下,经丙酮酸激酶催化,形成烯醇式丙酮酸,继而经 分子内重排而形成丙酮酸 0 COO DH COOH COOH 磷酸烯醇式丙酮酸 烯醇式丙酮酸 由图10-5可见,三羧酸循环(反应①~⑩)经四次脱氢,这些脱氢酶分别以NAD、NADP或FAD为 氢受体,它们接受的氢经呼吸链最终氧化生成水和ATP。两个系统互相配合完成生物氧化作用。 三羧酸循环反应速率的调节部位如图10-7:
NAD+ NADH+H+ FADH2 FAD E1 E1 Mg2+ TPP+ HS HSCoA CH3CO SCoA TPP+ CH3CO S HS HS R R S S R CH3CHO CO2 TPP+ 丙酮酸 E3 E3 图10-6 丙酮酸的氧化脱羧基作用 图中E1为丙酮酸脱氢酶,E2为硫辛酸转乙酰基酶,E3为二氢硫辛酸脱氢酶 E2 ~ ~ C(OH)COOH CH2COOH CH2COOH CCOOH CH2COOH CHCOOH CHCOOH CH2COOH H CH(OH)COOH 2O H2O H2O H2O 柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸 * * * * * * (4)异柠檬酸在NAD＋或NADP＋存在下，经异柠檬酸脱氢酶催化、脱氢，形成草酰琥珀酸。 (5)草酰琥珀酸不脱去羧基，在异柠檬酸脱氢酶(需Mg2＋)催化下，形成 α-酮戊二酸。 6)α-酮戊二酸在有TPP＋ 、硫辛酸、HSCoA、FAD和NAD＋ 存在下，经α-酮戊二酸脱氢酶催化脱羧基， 形成琥珀酰辅酶A。 (7)琥珀酰辅酶A在有GDP+Pi和Mg2＋存在下，经琥珀酰辅酶A合成酶催化，脱去辅酶A，生成琥珀酸 和鸟嘌呤核苷三磷酸(GTP)。然后，GTP再将高能键转给腺嘌呤核苷二磷酸(ADP)生成ATP。 GTP + ADP GDP + ATP (8)琥珀酸在有 FAD 存在下，经琥珀酸脱氢酶催化形成延胡索酸。丙二酸是一种特异的琥珀酸氧化的 竞争性抑制剂。 (9)延胡索酸在延胡索酸酶催化下形成苹果酸。 (10)苹果酸在有NAD＋存在下，经L-苹果酸脱氢酶催化、脱氢，再生成草酰乙酸。 (11)苹果酸经以NADP＋ 为辅酶的苹果酸酶催化，也能生成丙酮酸。 (12)草酰乙酸在有ADP、无机磷酸和Mg2＋存在下，经丙酮酸羧化酶催化脱羧基生成丙酮酸。由于某 些组织中草酰乙酸的含量很低，进行上述可逆反应是不可能的。代替它的是：草酰乙酸在有GTP存在下， 经磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶催化，脱羧基生成磷酸烯醇式丙酮酸。 CH2 C COOH O COOH C O CH2 COOH P 草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸 GTP GDP CO2 由于该酶对CO2 亲和力很低，CO2 易被移去，这就保证了该酶仅催化磷酸烯醇式丙酮酸的生成反应。 磷酸烯醇式丙酮酸在有ADP、Mg2+和高浓度K＋存在下，经丙酮酸激酶催化，形成烯醇式丙酮酸，继而经 分子内重排而形成丙酮酸。 Mg2+, K+ C O CH2 COOH P ATP ADP C OH CH2 COOH C O CH3 COOH 磷酸烯醇式丙酮酸 烯醇式丙酮酸 丙酮酸 由图 10-5 可见，三羧酸循环(反应①~⑩)经四次脱氢，这些脱氢酶分别以NAD＋ 、NADP＋ 或FAD为 氢受体，它们接受的氢经呼吸链最终氧化生成水和ATP。两个系统互相配合完成生物氧化作用。 三羧酸循环反应速率的调节部位如图 10-7： 228
丙酮酸 为ATP、乙酰CoA 和NADH所抑制 酰CoA 为ATP所抑制 草酰乙酸 柠檬酸 苹果酸 顺乌头酸 延胡索酸 异柠檬酸 为ADP所刺激 琥珀酸 酮戊二酸 为琥珀酰CoA和 琥珀酰CoA“NADH所抑制 图10-7丙酮酸氧化脱羧作用和三 羧酸循环的速率调节控制 *需电子受体NAD或FAD)反应 三羧酸循环的重要生理意义有 (1)提供远比糖酵解所能提供的大得多的能量,供生命活动的需要 在有氧情况下,每分子葡萄糖经酵解过程变成二分子丙酮酸共生成6或8分子ATP。二分子丙酮酸 经三羧循环和氧化磷酸化过程共产生30分子ATP。 安(2)三羧酸循环不仅是糖代谢的重要途径,也是脂质、蛋白质和核酸代谢最终氧化成CO2和HO的重要 例如,蛋白质水解物中丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸经脱氨基后分别生成丙酮酸、α-酮戊二酸和草酰 乙酸进入三羧酸循环。脂肪可水解成脂肪酸和甘油,前者经β-氧化作用生成乙酰CoA进入三羧酸循环, 后者经一定转化后进入糖酵解,继而进入三羧酸循环。因此,三羧酸循环是各类有机物末端氧化的共同 途径,也是各类有机物相互转变的枢纽,通过三羧酸循环,使糖类、脂类和蛋白质等代谢彼此联系在 三、磷酸己糖旁路 磷酸己糖旁路也是一条需氧的代谢途径。在肝脏、骨髓、脂肪组织、泌乳期的乳腺、肾上腺皮质、 性腺及红细胞等组织中,这一代谢途径进行得比较旺盛。 磷酸己糖旁路发生于细胞内线粒体外细胞质的可溶性部分即胞液中,其基本过程是:葡萄糖被磷酸 化为G-6P后,在G-6-P脱氢酶的催化下,脱氢、与水化合生成6-磷酸葡萄糖酸,后者再经脱氢、脱羧等 反应生成核糖-5-P。在这些过程中脱下的氢均以NADP为受氢体,生成 NADPH+H。核糖-5P再经一系 列化学过程,又可变为糖酵解的中间产物,如甘油醛3-P、F-6-P等,这样又与糖酵解相衔接而进一步进 行代谢
柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸 -酮戊二酸 琥珀酰CoA 琥珀酸 延胡索酸 苹果酸 草酰乙酸 乙酰CoA 为ATP、乙酰CoA 和NADH所抑制 丙酮酸 为ATP所抑制 为ADP所刺激 为琥珀酰CoA和 NADH所抑制 * * * * α 图10-7 丙酮酸氧化脱羧作用和三 羧酸循环的速率调节控制 *需电子受体(NAD+ 或FAD)反应 三羧酸循环的重要生理意义有： (1)提供远比糖酵解所能提供的大得多的能量，供生命活动的需要。 在有氧情况下，每分子葡萄糖经酵解过程变成二分子丙酮酸共生成 6 或 8 分子 ATP。二分子丙酮酸 经三羧循环和氧化磷酸化过程共产生 30 分子 ATP。 (2)三羧酸循环不仅是糖代谢的重要途径，也是脂质、蛋白质和核酸代谢最终氧化成CO2和H2O的重要 途径。 例如，蛋白质水解物中丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸经脱氨基后分别生成丙酮酸、α-酮戊二酸和草酰 乙酸进入三羧酸循环。脂肪可水解成脂肪酸和甘油，前者经β-氧化作用生成乙酰-CoA 进入三羧酸循环， 后者经一定转化后进入糖酵解，继而进入三羧酸循环。因此，三羧酸循环是各类有机物末端氧化的共同 途径，也是各类有机物相互转变的枢纽，通过三羧酸循环，使糖类、脂类和蛋白质等代谢彼此联系在一 起。 三、磷酸己糖旁路 磷酸己糖旁路也是一条需氧的代谢途径。在肝脏、骨髓、脂肪组织、泌乳期的乳腺、肾上腺皮质、 性腺及红细胞等组织中，这一代谢途径进行得比较旺盛。 磷酸己糖旁路发生于细胞内线粒体外细胞质的可溶性部分即胞液中，其基本过程是：葡萄糖被磷酸 化为G-6-P后，在G-6-P脱氢酶的催化下，脱氢、与水化合生成 6-磷酸葡萄糖酸，后者再经脱氢、脱羧等 反应生成核糖-5-P。在这些过程中脱下的氢均以NADP＋ 为受氢体，生成NADPH+H＋ 。核糖-5-P再经一系 列化学过程，又可变为糖酵解的中间产物，如甘油醛-3-P、F-6-P等，这样又与糖酵解相衔接而进一步进 行代谢。 229
COOH CHoP H-C-OH CH,O HO→C一H O NADP N H一C-OH OH OHG6P脱氢酶 H-C-OH 葡糖酸内 酯水化酶 CH2O⑥ G-6-P 磷酸葡萄糖酸内酯 6-磷酸葡糖酸 ADP 6-磷酸葡糖 i CH,OH 酸脱氢酶 NADPH+H HOOH CH2OH H-C-OH C=0 H-C-OH H-C-OH H-C-OH CO2 H-C-OH CH2O⑥ H2⑥ CH,Oe 赤藓糖4-P ⑩ 转酮糖酶 景天庚酮糖7P 木糖醇5-P 核酮糖5-P TPP* 转醛糖酶 磷酸核糖同 CH2OH 转酮糖酶 分异构酶 C-O CHO CHO H-C-OH H--C-O H-C-OH H-C-OH CH2O① CH2 甘油醛-3-P F-6-P 核糖-5-P 图10-8磷酸己糖旁路 ①核酮糖-5-P差向酶;②转酮糖酶;③转醛糖酶 磷酸己糖旁路主要的生理意义有 (1)提供核酸生物合成所需的原料核糖。在这一代谢过程中所生成的核糖-5-P是合成核糖的必要原 料。体内核糖的分解代谢也要通过这一代谢途径。所以这一途径将戊糖代谢与己糖代谢相联系 (2)提供细胞生物合成所需的还原力。磷酸己糖旁路所生成的 NADPH+H,提供各种生物合成代谢所 需要的氢。 (3)使活细胞处于还原态,防止生物膜氧化。如在红细胞中,磷酸己糖旁路所生成的 NADPH+可能 使红细胞中的谷胱甘肽保持还原状态,这对稳定细胞膜及使血红蛋白处于还原状态是必要的。 四、糖醛酸途径 糖醛酸途径由G-6P或G-l-P开始,经UDP-葡萄糖醛酸脱掉UDP形成葡萄糖醛酸。此后,逐步代谢 形成L-木酮糖,再经木糖醇形成D-木酮糖,通过磷酸己糖旁路也形成核糖,或导入三羧酸循环,进行进 一步代谢(图10-9) 糖醛酸途径产生的葡萄糖醛酸是重要的粘多糖,如硫酸软骨素、透明质酸和肝素的构成成分。也是 肝脏进行解毒作用的重要物质。进入肝脏的某些毒物和药物与葡萄糖醛酸结合随尿排岀,从而起到解毒 的重要作用。被结合解毒的化合物通常有一OH、一COOH、一NH2或一SH基。机体内经氧化、还原等反 应形成上述基团的化合物,亦可与葡萄糖醛酸结合
O HO OH OH OH CH2O P NADP+ NADPH+H+ H2O NADP+ NADPH+H+ CO2 CH2O P H C OH CHO H COOH C OH C C HO H C H OH H OH CH2O CH2OH C C C H OH H OH CH2O O CH2OH C C C H H OH HO C C H C C H OH C H OH H OH HO O CH2OH C C H C C H OH CH2O H OH HO O CH2OH H CHO C OH C C H OH CH2O H OH CHO C C H OH CH2O H OH P CH CH2O 2O P O HO OH OH CH2O P O P P P O P Mg2+ G-6-P脱氢酶 G-6-P 磷酸葡萄糖酸内酯 Mg2+ 葡糖酸内 酯水化酶 6-磷酸葡糖 酸脱氢酶 6-磷酸葡糖酸 + 核酮糖-5-P 核糖-5-P 景天庚酮糖-7-P 木糖醇-5-P 甘油醛-3-P 赤藓糖-4-P F-6-P 转酮糖酶 TPP+ Mg2+ 磷酸核糖同 分异构酶 ① ② 转酮糖酶 TPP+ Mg2+ ③ 转醛糖酶 图10-8 磷酸己糖旁路 ①核酮糖-5-P差向酶；②转酮糖酶；③转醛糖酶 ② P 磷酸己糖旁路主要的生理意义有 ： (1)提供核酸生物合成所需的原料核糖。在这一代谢过程中所生成的核糖-5-P 是合成核糖的必要原 料。体内核糖的分解代谢也要通过这一代谢途径。所以这一途径将戊糖代谢与己糖代谢相联系。 (2)提供细胞生物合成所需的还原力。磷酸己糖旁路所生成的NADPH+H＋ ，提供各种生物合成代谢所 需要的氢。 (3)使活细胞处于还原态，防止生物膜氧化。如在红细胞中，磷酸己糖旁路所生成的NADPH+H＋ 可能 使红细胞中的谷胱甘肽保持还原状态，这对稳定细胞膜及使血红蛋白处于还原状态是必要的。 四、糖醛酸途径 糖醛酸途径由 G-6-P 或 G-1-P 开始，经 UDP-葡萄糖醛酸脱掉 UDP 形成葡萄糖醛酸。此后，逐步代谢 形成 L-木酮糖，再经木糖醇形成 D-木酮糖，通过磷酸己糖旁路也形成核糖，或导入三羧酸循环，进行进 一步代谢(图 10-9)。 糖醛酸途径产生的葡萄糖醛酸是重要的粘多糖，如硫酸软骨素、透明质酸和肝素的构成成分。也是 肝脏进行解毒作用的重要物质。进入肝脏的某些毒物和药物与葡萄糖醛酸结合随尿排出，从而起到解毒 的重要作用。被结合解毒的化合物通常有－OH、－COOH、－NH2或－SH基。机体内经氧化、还原等反 应形成上述基团的化合物，亦可与葡萄糖醛酸结合。 230