糖与糖代谢 §5.1 糖的生物学作用： 上册P1 （1章） 糖类是细胞中非常重要一类物质，在几乎所有重要生理过程中都有举足轻重的作用。 糖的生物学作用： 生物体的结构成分：动植物躯壳，如纤维素和甲壳素（昆虫和甲壳类动物的外骨骼）。 能源物质：贮存能源的糖类，如淀粉、糖原和葡萄糖。 转变为其他物质（碳源物质）：为合成其他生物分子如氨基酸、核苷酸和脂肪酸等提供碳骨架。 作为细胞识别的信息分子：大多数蛋白质是糖蛋白，如免疫球蛋白、激素、毒素、凝集素、抗原以至酶和结构蛋白。在糖蛋白中起信息分子作用的为糖链。如B-型血外端的半乳糖用α-半乳糖苷酶（来自海南产的咖啡豆中）切除掉，则B-抗原活性丧失，呈现O-型血的典型特征。 糖在几乎所有重要生理过程中都有举足轻重的作用。 生命开始，卵细胞受精、细胞凝集、胚胎形成，细胞的运转和粘附。 细胞间的相互识别，通讯与相互作用。 免疫保护（抗原与抗体），代谢调控（激素与受体），形态发生、发育，器官的移植。 癌症发生与转移，衰老、病变等过程。 糖是生物体内重要信息物质，在细胞识别、信号传递与传导、免疫过程、细胞通讯和代谢调控中都扮演重要作用。糖生物学已发展成为生命科学研究的重要内容。 糖的结构特点： 糖的分子结构比蛋白质和核酸复杂。如葡萄糖有4个不对称碳原子，成环后C1又形成α、β两个异头体结构，葡萄糖同分异构体有25=32个。结构复杂多样的糖分子成为携带生物信息的极好载体。多肽与核酸携带信息仅依赖于其组成单体的种类、数量和连接顺序，而糖链携带信息除单体种类、数量和排列外还有分支结构和异头碳构型。因此糖的聚合体单位重量携带的信息量比蛋白质和核酸大的多。 糖工程： 糖工程即糖类药物的研究，包括药用寡糖及类似物的合成，糖蛋白及糖脂中糖的改性修饰，糖与蛋白的联结等内容。糖类药物的研究与开发在极快发展，如“抗粘附”类寡糖药物的研究，其原理为细胞感染首先是入侵病原体表面的糖蛋白（粘附蛋白）识别正常人细胞表面的寡糖（配体），继而发生粘附作用。若引入与寡糖结构（配体）相同或类似的游离寡糖，并使它们与病原体上的粘附蛋白结合即可避免病原体对细胞的感染，而成为“抗粘附”类寡糖药物，此类药物在与病原体的粘附蛋白结合后会被排出体外而防止感染。如已开发出对付幽门螺旋杆菌的药物，可防治胃炎、胃溃疡和十二指肠溃疡；已鉴定了与人体发炎过程及癌细胞转移密切相关的粘附蛋白E-Selectin中四糖的结构等。 糖工程研究内容首先进行天然产物（如粘附蛋白）的分离和纯化，然后进行微量寡糖的分析，确认结构，最后进行寡糖的合成，为此已发展了寡糖的液相和固相合成。寡糖结构的复杂性使糖工程研究过程中困难重重，如三个结构相同的己糖形成三糖会有120种不同连接，使分析、分离工作面临挑战。 §5.2 糖酵解作用：下册 P63 22章 无氧条件下葡萄糖进行分解，1个葡萄糖分子形成2分子丙酮酸并提供能量的过程称为糖酵解作用。 机体生存需要能量。机体内主要提供能量的物质是ATP，ATP的结构见P37。ATP~ADP循环是生物体系中能量交换基本方式。 糖酵解过程是生物最古老、最原始获得能量的一种方式，通过酵解可以在无氧或供氧不足时给机体提供能量。酵解在细胞胞液中进行。 糖酵解：葡萄糖在无氧条件下转变为丙酮酸所经历的一系列反应，在此过程中净生成2个ATP分子。 无氧条件下丙酮酸由NADH还原成乳酸，高等动物肌肉组织中糖酵解最终产物为乳酸。 发酵分为乳酸发酵和乙醇发酵。微生物经过无氧条件产生乳酸的过程称为乳酸发酵；包括丙酮酸脱羧生成乙醇的发酵过程称为乙醇发酵，其基本路线和酵解完全相同，只是在形成丙酮酸后才有差异。 糖酵解和乙醇发酵全过程： 如P67 图22-1所示，分两阶段进行： 1. 准备阶段：1分子葡萄糖经磷酸化成2分子三碳糖，消耗2分子ATP。 2. 放能阶段：磷酸三碳糖变成丙酮酸，2个三碳糖分子产生4个ATP。 糖酵解过程由葡萄糖到所有的中间产物都是以磷酸化合物的形式来实现的。 发酵在生物化学发展过程中有重要意义。当把酵母汁液加入蔗糖中发酵产生乙醇，证明发酵可在活细胞外进行，打开了现代生物化学大门，新陈代谢变为化学。 第一阶段： 葡萄糖在己糖激酶催化下磷酸化形成葡萄糖-6-磷酸。 己糖激酶 葡萄糖 + ATP 葡萄糖-6-磷酸 + ADP （G-6-P） 肝脏中则由专一性强的葡萄糖激酶催化。 反应消耗1分子ATP，己糖激酶为调控酶。该步反应受产物G-6-P和ADP抑制。 （2）G-6-P异构化成果糖-6-磷酸（F-6-P）。 磷酸葡萄糖异构酶 G-6-P F-6-P 反应可逆，反应为酶促广义酸碱催化，见P70 图22-3。 （3）F-6-P形成F-1，6-2P（果糖-1，6-二磷酸）。 磷酸果糖激酶 F-6-P + ATP F-1，6-2P + ADP 又消耗1分子ATP，作用机制与己糖激酶同，如P71 图22-4所示。 此步为调控酶，为限速步骤。 该酶为ATP（反应物）所抑制，又可为AMP解除。ATP/AMP比例对酶有明显调节作用。 （4）F-1，6-2P转变成G-3-P（甘油醛-3-磷酸）和DHAP（二羟丙酮磷酸）。 醛缩酶 F-1，6-2P DHAP + G-3-P 为羟醛缩合反应逆反应，机制见P73 图22-5。 （5）DHAP异构化成G-3-P。 磷酸丙糖异构化酶 DHAP G-3-P 至此准备阶段完成两个磷酸化步骤，六碳糖变成两个G-3-P，消耗2个ATP。 第二阶段： （6）G-3-P氧化成1，3-BPG（1，3-二磷酸甘油酸）。 甘油醛-3-磷酸脱氢酶 G-3-P + NAD+ + H3DO4 1，3-BPG + NADH + H+ 此步醛基氧化释放能量，形成高能酰基磷酸。 此步可为砷酸盐破坏。砷酸在结构和反应方面与磷酸相似，可代替磷酸产生1-砷酸-3-磷酸甘油酸，不稳定而迅速水解成3-磷酸甘油酸，使氧化释放的能量不能贮存。 此步需NAD+，产生NADH+ H+，NAD+需要再生。 有氧时，NADH可经氧化呼吸链氧化成NAD+。 无氧时，可利用酵解产物丙酮酸氧化NADH成NAD+，丙酮酸还原成乳酸，以保证酵解过程继续进行。 （7）1，3-BPG转移高能磷酸基团形成3-磷酸甘油酸（3-PG）。 磷酸甘油酸激酶 1，3-BPG + ADP 3-PG + ATP 第一次产生ATP，一个六碳糖产生两个三碳糖，因此一共产生2个ATP。 （8）3-PG转变成2-磷酸甘油酸（2-PG）。 磷酸甘油酸变位酶 3-PG 2-PG 为分子内重排反应。 （9）2-PG脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸。 烯醇化酶 2-PG 磷酸烯醇式丙酮酸 + H2O 磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸，并产生1分子ATP。 丙酮酸激酶 磷酸烯醇式丙酮酸 + ADP + Pi 丙酮酸 + ATP 反应不可逆，酶为调控酶，第二次产生ATP。 酵解过程中能量转变估算： 酵解过程为一个葡萄糖分解为两分子丙酮酸。 葡萄糖 + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ →2丙酮酸 + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O。 净产生2分子ATP。 丙酮酸去路： 在无氧情况下，酵解进行必须使NAD+从NADH再生，不断提供NAD+。 （1）生成乳酸： 乳酸脱氢酶 丙酮酸 + NADH + H+ 乳酸 + NAD+ 此时每分子葡萄糖在无氧下代谢形成2分子乳酸，反应为：C6H12O6 + 2ADP + 2Pi→2C3H6O3 + 2ATP + 2H2O。 （乳酸） 生成乙醇： 酵母在无氧条件下将丙酮酸变为乙醇和CO2。 丙酮酸脱羧酶 丙酮酸 乙醛 乙醇脱氢酶 乙醛 + NADH + H+ 乙醇 + NAD+ 丙酮酸还可经乙酰CoA进入TCA，经糖的异生转化为Ala。 小结：糖酵解反应涉及的10个酶 ATP变化 备注 （1）己糖激酶（肝内为葡萄糖异构酶） ―1 调控酶 （2）磷酸葡萄糖异构酶 （3）磷酸果糖激酶 ―1 调控酶 醛缩酶 磷酸丙糖异构酶 甘油醛-3-磷酸脱氢酶 需NAD+ 磷酸甘油酸激酶 +2 磷酸甘油酸变位酶 烯醇化酶 丙酮酸激酶 +2 调控酶 §5.3 柠檬酸循环： 下册 P92 23章 酵解产生的丙酮酸在有氧条件下，继续进行有氧分解最后形成CO2和水，并产生ATP，经历途径分为两个阶段，分别为柠檬酸循环和氧化磷酸化。 柠檬酸循环又称三羧酸循环（TCA），又称Krebs循环，在细胞线粒体中进行。TCA是糖、脂类和氨基酸代谢的最后共同途径，其中间体可作为许多生物合成的前体。 丙酮酸通过TCA进行脱羧和脱氢反应，羧基形成CO2，氢原子则随载体（NAD+、FAD）进入电子传递链，经过氧化磷酸化作用形成水分子，并将释放的能量用于合成ATP。 准备阶段：丙酮酸形成乙酰CoA 酶 丙酮酸 + CoASH + NAD+ 乙酰CoA + CO2 + NADH + H+ 酶为丙酮酸脱氢酶复合体，进行氧化还原和脱羧反应。该酶系实际为三种酶：丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酰转乙酰基酶和二氢硫辛酸脱氢酶，催化4步反应，有5个辅助因子：CoA，NAD+，TPP，硫辛酰胺和FAD。 （二）柠檬酸循环概貌： 见P97 图23-2 （三）柠檬酸循环的8个步骤：见P99~P106 （1） 草酰乙酸与乙酰CoA缩合形成柠檬酸。 柠檬酸合成酶 草酰乙酸 + 乙酰CoA + H2O 柠檬酸 + HSCoA + H+ 为酯缩合反应，酶为调控酶，受ATP，NADH，琥珀酰CoA等抑制，此步为TCA中限速步骤。 氟乙酰胺、氟乙酸可形成氟柠檬酸，为致死性合成反应。 （2）柠檬酸异构化形成异柠檬酸。 ―H2O +H2O 柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸 酶为乌头酸酶，反应可逆。 （3）异柠檬酸氧化形成α-酮戊二酸。 异柠檬酸脱氢酶 ―CO2 异柠檬酸 + NAD+ 草酰琥珀酸 α-酮戊二酸 （NADP+） 异柠檬酸脱氢酶为变构调节酶，有两种，分别以NAD+或NADP+为辅酶。 （4）α-酮戊二酸氧化脱羧形成琥珀酰CoA。 酶 α-酮戊二酸 + NAD+ + CoASH 琥珀酰CoA + NADH + H+ + CO2 酶为α-酮戊二酸脱氢酶系，此多酶复合体为调控酶，反应与丙酮酸氧化脱羧相似。 （5）琥珀酰CoA转变成琥珀酸，并产生一个高能磷酸键（GDP → GTP）。 琥珀酸CoA合成酶 琥珀酰CoA + GDP + Pi 琥珀酸 + CoASH + GTP 一个GTP相当一个ATP。 （6）琥珀酸脱氢形成延胡索酸。 琥珀酸脱氢酶 琥珀酸 + FAD 延胡索酸 + FADH2 （7）水合形成L-苹果酸。 延胡索酸酶 延胡索酸 + H2O L-苹果酸 （8）L-苹果酸脱氢形成草酰乙酸（供下轮循环使用）。 L-苹果酸脱氢酶 L-苹果酸 + NAD+ 草酰乙酸 + NADH + H+ 柠檬酸循环见P98 图23-3。 放射性同位素实验证明，TCA脱下的羧基是原来在草酰乙酸分子上的羧基，形成的草酰乙酸为新的草酰乙酸。 柠檬酸循环的化学总结算 TCA总反应为： CH3COSCoA + 3NAD+ + 2H2O + GTP + Pi + FAD→2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP + 2H+ + CoA SH 乙酰CoA经TCA产生3个NADH，1个FADH2和1个GTP（ATP）。两个碳以CO2形式离开，4个氢原子形成3分子NADH，1分子FADH2。 柠檬酸循环只能在有氧条件下进行，因为产生的3个NADH和1个FADH2只能经电子传递链被氧化成NAD+和FAD而再生。经电子传递链NADH被氧化产生2.5ATP，FADH2被氧化产生1.5ATP。3个NADH，1个FADH2共产生3×2.5 + 1.5 = 9个ATP，再加上1个GTP共产生9 + 1 = 10个ATP。 从丙酮酸脱氢开始计算，每分子丙酮酸氧化脱羧产生1个NADH，合2.5个ATP，所以从丙酮酸开始TCA一次循环共产生12.5个ATP。 从葡萄糖开始，经酵解，1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，2个ATP及2个NADH，再经柠檬酸循环共产生12.5×2 = 25个ATP。 所以1分子葡萄糖经酵解，TCA及氧化磷酸化共产生ATP分子数为：25 + 7 =32个ATP。 柠檬酸循环双重作用： TCA即是主要的分解代谢途径，提供ATP，又是许多合成代谢中间产物前体的来源。TCA具有分解代谢和合成代谢的双重性，如P110 图23-14所示。 柠檬酸循环的发现：（略） Krebes参加了此项工作，并因此获若贝尔奖。