生物化學(xué)與分子生物學(xué):第二節(jié) 糖的分解代謝(catabolism of carbohydrate)

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人體組織均能對(duì)糖進(jìn)行分解代謝，主要的分解途徑有四條：(1)無氧條件下進(jìn)行的糖酵解途徑；(2)有氧條件下進(jìn)行的有氧氧化；(3)生成磷酸戊糖的磷酸戊糖通路；(4)生成葡萄糖醛酸的糖醛酸代謝。一、糖酵解途徑(glycolytic pathway)糖酵解途徑是指細(xì)胞在胞漿中分解葡萄糖生成丙…

人體組織均能對(duì)糖進(jìn)行分解代謝，主要的分解途徑有四條：(1)無氧條件下進(jìn)行的糖酵解途徑；(2)有氧條件下進(jìn)行的有氧氧化；(3)生成磷酸戊糖的磷酸戊糖通路；(4)生成葡萄糖醛酸的糖醛酸代謝。

一、糖酵解途徑(glycolytic pathway)

糖酵解途徑是指細(xì)胞在胞漿中分解葡萄糖生成丙酮酸(pyruvate)的過程，此過程中伴有少量ATP的生成。在缺氧條件下丙酮酸被還原為乳酸(lactate)稱為糖酵解。有氧條件下丙酮酸可進(jìn)一步氧化分解生成乙酰CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán)，生成CO2和H2O。

(一)葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)(transport of glucose)

圖4-1 葡萄糖通過轉(zhuǎn)運(yùn)載體轉(zhuǎn)入細(xì)胞示意圖 GLUT代表葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)載體

葡萄糖不能直接擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，其通過兩種方式轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞：一種是在前一節(jié)提到的與Na+共轉(zhuǎn)運(yùn)方式，它是一個(gè)耗能逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)，主要發(fā)生在小腸粘膜細(xì)胞、腎小管上皮細(xì)胞等部位；另一種方式是通過細(xì)胞膜zxtf.net.cn/kuaiji/上特定轉(zhuǎn)運(yùn)載體將葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞內(nèi)(圖4－1)，它是一個(gè)不耗能順濃度梯度的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。目前已知轉(zhuǎn)運(yùn)載體有5種，其具有組織特異性如轉(zhuǎn)運(yùn)載體-1(GLUT-1)主要存在于紅細(xì)胞，而轉(zhuǎn)運(yùn)載體-4(GLUT-4)主要存在于脂肪組織和肌肉組織。

(二)糖酵解過程

糖酵解分為兩個(gè)階段共10個(gè)反應(yīng)，每個(gè)分子葡萄糖經(jīng)第一階段共5個(gè)反應(yīng)，消耗2個(gè)分子ATP為耗能過程，第二階段5個(gè)反應(yīng)生成4個(gè)分子ATP為釋能過程。

1.第一階段

(1)葡萄糖的磷酸化(phosphorylation of glucose)

進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的葡萄糖首先在第6位碳上被磷酸化生成6-磷酸葡萄糖(glucose6phophate,G－6－P)，磷酸根由ATP供給，這一過程不僅活化了葡萄糖，有利于它進(jìn)一步參與合成與分解代謝，同時(shí)還能使進(jìn)入細(xì)胞的葡萄糖不再逸出細(xì)胞。催化此反應(yīng)的酶是己糖激酶(hexokinase,HK)。己糖激酶催化的反應(yīng)不可逆，反應(yīng)需要消耗能量ATP，Mg2+是反應(yīng)的激活劑，它能催化葡萄糖、甘露糖、氨基葡萄糖、果糖進(jìn)行不可逆的磷酸化反應(yīng)，生成相應(yīng)的6-磷酸酯，6－磷酸葡萄糖是HK的反饋抑制物，此酶是糖氧化反應(yīng)過程的限速酶(ratelimiting enzyme)或稱關(guān)鍵酶(key enzyme)它有同工酶Ⅰ-Ⅳ型，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型主要存在于肝外組織，其對(duì)葡萄糖Km值為10-5～10-6M。

Ⅳ型主要存在于肝臟，特稱葡萄糖激酶(glucokinase,GK)，對(duì)葡萄糖的Km值1～10-2M，正常血糖濃度為5mmol/L，當(dāng)血糖濃度升高時(shí)，GK活性增加，葡萄糖和胰島素能誘導(dǎo)肝臟合成GK，GK能催化葡萄糖、甘露糖生成其6-磷酸酯，6-磷酸葡萄糖對(duì)此酶無抑制作用。

HK與GK兩者區(qū)別見表4-1。

表4-1　己糖激酶(HK)和葡萄糖激酶(GK)的區(qū)別

	HK	GK
組織分布	絕大多數(shù)組織	肝臟和β細(xì)胞
Km	低	高
6-磷酸葡萄糖的抑制	有	無

(2)6-磷酸葡萄糖的異構(gòu)反應(yīng)(isomerization of glucose-6-phosphate)

這是由磷酸己糖異構(gòu)酶(phosphohexoseisomerase)催化6-磷酸葡萄糖(醛糖aldose sugar)轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸果糖(fructose-6-phosphate,F-6-P)的過程，此反應(yīng)是可逆的。

(3)6-磷酸果糖的磷酸化(phosphorylation of fructose－6－phosphate)

此反應(yīng)是6磷酸果糖第一位上的C進(jìn)一步磷酸化生成1,6－二磷酸果糖，磷酸根由ATP供給，催化此反應(yīng)的酶是磷酸果糖激酶1(phosphofructokinasel,PFK1)。

PFK1催化的反應(yīng)是不可逆反應(yīng)，它是糖的有氧氧化過程中最重要的限速酶，它也是變構(gòu)酶，檸檬酸、ATP等是變構(gòu)抑制劑，ADP、AMP、Pi、1，6-二磷酸果糖等是變構(gòu)激活劑，胰島素可誘導(dǎo)它的生成。

(4)1.6二磷酸果糖裂解反應(yīng)(cleavageof fructose1,6 di/bis phosphate)

醛縮酶(aldolase)催化1.6-二磷酸果糖生成磷酸二羥丙酮和3-磷酸甘油醛，此反應(yīng)是可逆的。

(5)磷酸二羥丙酮的異構(gòu)反應(yīng)(isomerization of dihydroxyacetonephosphate)

磷酸丙糖異構(gòu)酶(triosephosphate isomerase)催化磷酸二羥丙酮轉(zhuǎn)變?yōu)?－磷酸甘油醛，此反應(yīng)也是可逆的。

到此1分子葡萄糖生成2分子3-磷酸甘油醛，通過兩次磷酸化作用消耗2分子ATP。

2.第二階段：

(6)3-磷酸甘油醛氧化反應(yīng)(oxidation of glyceraldehyde-3-phosphate

此反應(yīng)由3-磷酸甘油醛脫氫酶(glyceraldehyde 3－phosphatedehydrogenase)催化3-磷酸甘油醛氧化脫氫并磷酸化生成含有1個(gè)高能磷酸鍵的1，3－二磷酸甘油酸，本反應(yīng)脫下的氫和電子轉(zhuǎn)給脫氫酶的輔酶NAD+生成NADH+H+，磷酸根來自無機(jī)磷酸。

(7)1.3－二磷酸甘油酸的高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移反應(yīng)

在磷酸甘油酸激酶(phosphaglyceratekinase,PGK)催化下，1.3－二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸，同時(shí)其C1上的高能磷酸根轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP，這種底物氧化過程中產(chǎn)生的能量直接將ADP磷酸化生成ATP的過程，稱為底物水平磷酸化(substratelevel phosphorylation)。此激酶催化的反應(yīng)是可逆的。

(8)3-磷酸甘油酸的變位反應(yīng)

在磷酸甘油酸變位酶(phosphoglyceratemutase)催化下3-磷酸甘油酸C3－位上的磷酸基轉(zhuǎn)變到C2位上生成2－磷酸甘油酸。此反應(yīng)是可逆的。

(9)2-磷酸甘油酸的脫水反應(yīng)

由烯醇化酶(enolase)催化，2-磷酸甘油酸脫水的同時(shí)，能量重新分配，生成含高能磷酸鍵的磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvatePEP)。本反應(yīng)也是可逆的。

(10)磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸轉(zhuǎn)移

在丙酮酸激酶(pyruvatekinase,PK)催化下，磷酸烯醇式丙酮酸上的高能磷酸根轉(zhuǎn)移至ADP生成ATP，這是又一次底物水平上的磷酸化過程。但此反應(yīng)是不可逆的。

丙酮酸激酶是糖的有氧氧化過程中的限速酶，具有變構(gòu)酶性質(zhì)，ATP是變構(gòu)抑制劑，ADP是變構(gòu)激活劑，Mg2+或K+可激活丙酮酸激酶的活性，胰島素可誘導(dǎo)PK的生成，烯醇式丙酮酸又可自動(dòng)轉(zhuǎn)變成丙酮酸。

總結(jié)糖的無氧酵解　在細(xì)胞液階段的過程中，一個(gè)分子的葡萄糖或糖原中的一個(gè)葡萄糖單位，可氧化分解產(chǎn)生2個(gè)分子的丙酮酸，丙酮酸將進(jìn)入線粒體繼續(xù)氧化分解，此過程中產(chǎn)生的兩對(duì)NADH+H+，由遞氫體α-磷酸甘油(肌肉和神經(jīng)組織細(xì)胞)或蘋果酸(心肌或肝臟細(xì)胞)傳遞進(jìn)入線粒體，再經(jīng)線粒體內(nèi)氧化呼吸鏈的傳遞，最后氫與氧結(jié)合生成水，在氫的傳遞過程釋放能量，其中一部分以ATP形式貯存。

在整個(gè)細(xì)胞液階段中的10或11步酶促反應(yīng)中，在生理?xiàng)l件下有三步是不可逆的單向反應(yīng)，催化這三步反應(yīng)的酶活性較低，是整個(gè)糖的有氧氧化過程的關(guān)鍵酶，其活性大小，對(duì)糖的氧化分解速度起決定性作用，在此階段經(jīng)底物水平磷酸化產(chǎn)生四個(gè)分子ATP。

圖4-2 葡萄糖分解的兩個(gè)階段

總而言之，經(jīng)過糖酵解途徑，一個(gè)分子葡萄糖可氧化分解產(chǎn)生2個(gè)分子丙酮酸。在此過程中，經(jīng)底物水平磷酸化可產(chǎn)生4個(gè)分子ATP，如與第一階段葡萄糖磷酸化和磷酸果糖的磷酸化消耗二分子ATP相互抵消，每分子葡萄糖降解至丙酮酸凈產(chǎn)生2分子ATP，如從糖原開始，因開始階段僅消耗1分子ATP，所以每個(gè)葡萄糖單位可凈生成3分子ATP(圖4-2)。葡萄糖+2Pi+2NAD++2ADP→2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O

(三)丙酮酸在無氧條件下生成乳酸

氧供應(yīng)不足時(shí)從糖酵解途徑生成的丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗�。缺氧時(shí)葡萄糖分解為乳酸稱為糖酵解(glycolysis)，因它和酵母菌生醇發(fā)酵非常相似。丙酮酸轉(zhuǎn)變成乳酸由乳酸脫氫酶(lactatedehydrogenase)催化丙酮酸乳酸脫氫酶乳酸在這個(gè)反應(yīng)中丙酮酸起了氫接受體的作用。由3-磷酸甘油醛脫氫酶反應(yīng)生成的NADH+H+，缺氧時(shí)不能經(jīng)電子傳遞鏈氧化。正是通過將丙酮酸還原成乳酸，使NADH轉(zhuǎn)變成NAD+，糖酵解才能繼續(xù)進(jìn)行。

乳酸脫氫酶是由M和H二種亞基構(gòu)成的四聚體，組成5種同工酶。這些同工酶在組織中分布不同，對(duì)丙酮酸的KM也有較大差異。H4主要分布在心肌。它的酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)表明H4有利于催化乳酸氧化成丙酮酸。所以心肌進(jìn)行有氧氧化而且能利用乳酸作為燃料。骨骼肌中為M4型。它對(duì)反應(yīng)方面無傾向性，但肌細(xì)胞內(nèi)底物的濃度有利于生成乳酸。

(四)糖酵解及其生理意義

糖酵解是生物界普遍存在的供能途徑，但其釋放的能量不多，而且在一般生理情況下，大多數(shù)組織有足夠的氧以供有氧氧化之需，很少進(jìn)行糖酵解，因此這一代謝途徑供能意義不大，但少數(shù)組織，如視網(wǎng)膜、睪丸、腎髓質(zhì)和紅細(xì)胞等組織細(xì)胞，即使在有氧條件下，仍需從糖酵解獲得能量。

在某些情況下，糖酵解有特殊的生理意義。例如劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，能量需求增加，糖分解加速，此時(shí)即使呼吸和循環(huán)加快以增加氧的供應(yīng)量，仍不能滿足體內(nèi)糖完全氧化所需要的能量，這時(shí)肌肉處于相對(duì)缺氧狀態(tài)，必須通過糖酵解過程，以補(bǔ)充所需的能量。在劇烈運(yùn)動(dòng)后，可見血中乳酸濃度成倍地升高，這是糖酵解加強(qiáng)的結(jié)果。又如人們從平原地區(qū)進(jìn)入高原的初期，由于缺氧，組織細(xì)胞也往往通過增強(qiáng)糖酵解獲得能量。

在某些病理情況下，如嚴(yán)重貧血、大量失血、呼吸障礙、腫瘤組織等，組織細(xì)胞也需通過糖酵解來獲取能量。倘若糖酵解過度，可因乳酸產(chǎn)生過多，而導(dǎo)致酸中毒。

(五)糖酵解的調(diào)節(jié)

正常生理?xiàng)l件下，人體內(nèi)的各種代謝受到嚴(yán)格而精確的調(diào)節(jié)，以滿足機(jī)體的需要，保持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。這種控制主要是通過調(diào)節(jié)酶的活性來實(shí)現(xiàn)的。在一個(gè)代謝過程中往往催化不可逆反應(yīng)的酶限制代謝反應(yīng)速度，這種酶稱為限速酶。糖酵解途徑中主要限速酶是己糖激酶(HK)，磷酸果糖激酶-1(PFK-1)和丙酮酸激酶(PK)。

1.激素的調(diào)節(jié)

胰島素能誘導(dǎo)體內(nèi)葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶的合成，因而促進(jìn)這些酶的活性，一般來說，這種促進(jìn)作用比對(duì)限速酶的變構(gòu)或修飾調(diào)節(jié)慢，但作用比較持久。

2.代謝物對(duì)限速酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)

上述三個(gè)限速酶中，起決定作用的是催化效率最低的酶PFK-1。其分子是一個(gè)四聚體形式，不僅具有對(duì)反應(yīng)底物6-磷酸果糖和ATP的結(jié)合部位，而且尚有幾個(gè)與別位激活劑和抑制劑結(jié)合的部位，6-磷酸果糖、1，6二磷酸果糖、ADP和AMP是其激活劑，而ATP、檸檬酸等是其抑制劑，ATP既可作為反應(yīng)底物又可作為抑制劑，其原因在于：此酶一個(gè)是與作為底物的ATP結(jié)合位點(diǎn)，另一個(gè)是與作為抑制劑的ATP結(jié)合位點(diǎn)，兩個(gè)位點(diǎn)對(duì)ATP的親和力不同，與底物的位點(diǎn)親和力高，抑制劑作用的位點(diǎn)親和力低。對(duì)ATP有兩種結(jié)合位點(diǎn)，這樣，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)ATP不足時(shí)，ATP主要作為反應(yīng)底物，保證酶促反應(yīng)進(jìn)行，而當(dāng)細(xì)胞內(nèi)ATP增多時(shí)，ATP作為抑制劑，降低了酶對(duì)6-磷酸果糖的親和力。

它在體內(nèi)也是由6-磷酸果糖磷酸化而成，但磷酸化是在C2位而不是C4位，參與的酶也是另一個(gè)激酶，磷酸果糖激酶-2(PFK-2)。

2，6－二磷酸果糖可被二磷酸果糖磷酸酶-2去磷酸而生成6-磷酸果糖，失去其調(diào)節(jié)作用。2，6－二磷酸果糖的作用在于增強(qiáng)磷酸果糖激酶-1對(duì)6-磷酸果糖的親和力和取消ATP的抑制作用(圖4－3)。

圖4-3 胰島素濃度升高對(duì)肝細(xì)胞內(nèi)2，6-二磷酸果糖濃度的影響

臨床上丙酮酸激酶異常，可導(dǎo)致葡萄糖酵解障礙，紅細(xì)胞破壞出現(xiàn)溶血性貧血。

二、糖的有氧氧化

葡萄糖在有氧條件下，氧化分解生成二氧化碳和水的過程稱為糖的有氧氧化(aerobicoxidation)。有氧氧化是糖分解代謝的主要方式，大多數(shù)組織中的葡萄糖均進(jìn)行有氧氧化分解供給機(jī)體能量。

(一)有氧氧化過程

糖的有氧氧化分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段是由葡萄糖生成的丙酮酸，在細(xì)胞液中進(jìn)行。第二階段是上述過程中產(chǎn)生的NADH+H+和丙酮酸在有氧狀態(tài)下，進(jìn)入線粒體中，丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán)，進(jìn)而氧化生成CO2和H2O，同時(shí)NADH+H+等可經(jīng)呼吸鏈傳遞，伴隨氧化磷酸化過程生成H2O和ATP，下面主要將討論有氧氧化在線粒體中進(jìn)行的第二階段代謝。

1.丙酮酸的氧化脫羧

催化氧化脫羧的酶是丙酮酸脫氫酶系(pyruvatedehydrogenase system)，此多酶復(fù)合體括丙酮酸脫羧酶，輔酶是TPP，二氫硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶，輔酶是二氫硫辛酸和輔酶A，還有二氫硫辛酸脫氫酶，輔酶是FAD及存在于線粒體基質(zhì)液中的NAD+，多酶復(fù)合體形成了緊密相連的連鎖反應(yīng)機(jī)構(gòu)，提高了催化效率。

從丙酮酸到乙酰CoA是糖有氧氧化中關(guān)鍵的不可逆反應(yīng)，催化這個(gè)反應(yīng)的丙酮酸脫氫酶系受到很多因素的影響，反應(yīng)中的產(chǎn)物，乙酰CoA和NADH++H+可以分別抑制酶系中的二氫硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶和二氫硫辛酸脫氫酶的活性，丙酮酸脫羧酶(pyruvate decarboxylase,PDC)活性受ADP和胰島素的激活，受ATP的抑制。

丙酮酸脫氫反應(yīng)的重要特征是丙酮酸氧化釋放的自由能貯存在乙酰CoA中的高能硫酯鍵中，并生成NADH+H+(圖4-4)。

圖4-4 丙酮酸脫氫酶復(fù)合物的作用機(jī)制

2.三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle)

乙酰CoA進(jìn)入由一連串反應(yīng)構(gòu)成的循環(huán)體系，被氧化生成H2O和CO2。由于這個(gè)循環(huán)反應(yīng)開始于乙酰CoA與草酰乙酸(oxaloacetate)縮合生成的含有三個(gè)羧基的檸檬酸，因此稱之為三羧酸循環(huán)或檸檬酸循環(huán)(citric acid cycle)。其詳細(xì)過程如下：

(1)乙酰CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán)

乙酰CoA具有硫酯鍵，乙酰基有足夠能量與草酰乙酸的羧基進(jìn)行醛醇型縮合。首先從CH3CO基上除去一個(gè)H+，生成的陰離子對(duì)草酰乙酸的羰基碳進(jìn)行親核攻擊，生成檸檬酰CoA中間體，然后高能硫酯鍵水解放出游離的檸檬酸，使反應(yīng)不可逆地向右進(jìn)行。該反應(yīng)由檸檬酸合成酶(citrate synthetase)催化，是很強(qiáng)的放能反應(yīng)。

由草酰乙酸和乙酰CoA合成檸檬酸是三羧酸循環(huán)的重要調(diào)節(jié)點(diǎn)，檸檬酸合成酶是一個(gè)變構(gòu)酶，ATP是檸檬酸合成酶的變構(gòu)抑制劑，此外，α-酮戊二酸、NADH能變構(gòu)抑制其活性，長(zhǎng)鏈脂酰CoA也可抑制它的活性，AMP可對(duì)抗ATP的抑制而起激活作用。

(2)異檸檬酸形成

檸檬酸的叔醇基不易氧化，轉(zhuǎn)變成異檸檬酸而使叔醇變成仲醇，就易于氧化，此反應(yīng)由順烏頭酸酶催化，為一可逆反應(yīng)。

(3)第一次氧化脫酸

在異檸檬酸脫氫酶作用下，異檸檬酸的仲醇氧化成羰基，生成草酰琥珀酸(oxalosuccinate)的中間產(chǎn)物，后者在同一酶表面，快速脫羧生成α-酮戊二酸(αketoglutarate)、NADH和CO2，此反應(yīng)為β-氧化脫羧，此酶需要Mn2+作為激活劑。

此反應(yīng)是不可逆的，是三羧酸循環(huán)中的限速步驟，ADP是異檸檬酸脫氫酶的激活劑，而ATP，NADH是此酶的抑制劑。

(4)第二次氧化脫羧

在α-酮戊二酸脫氫酶系作用下，α-酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀酰CoA、NADH+H+和CO2，反應(yīng)過程完全類似于丙酮酸脫氫酶系催化的氧化脫羧，屬于α氧化脫羧，氧化產(chǎn)生的能量中一部分儲(chǔ)存于琥珀酰CoA的高能硫酯鍵中。

α-酮戊二酸脫氫酶系也由三個(gè)酶(α-酮戊二酸脫羧酶、硫辛酸琥珀�；D(zhuǎn)移酶、二氫硫辛酸脫氫酶)和五個(gè)輔酶(TPP、硫辛酸、HSCoA、NAD+、FAD)組成。

此反應(yīng)也是不可逆的。α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體受ATP、GTP、NAPH和琥珀酰CoA抑制，但其不受磷酸化/去磷酸化的調(diào)控。

(5)底物磷酸化生成ATP

在琥珀酸硫激酶(succinatethiokinase)的作用下，琥珀酰CoA的硫酯鍵水解，釋放的自由能用于合成GTP，在細(xì)菌和高等生物可直接生成ATP，在哺乳動(dòng)物中，先生成GTP，再生成ATP，此時(shí)，琥珀酰CoA生成琥珀酸和輔酶A。

(6)琥珀酸脫氫

琥珀酸脫氫酶(succinatedehydrogenase)催化琥珀酸氧化成為延胡索酸。該酶結(jié)合在線粒體內(nèi)膜上，而其他三羧酸循環(huán)的酶則都是存在線粒體基質(zhì)中的，這酶含有鐵硫中心和共價(jià)結(jié)合的FAD，來自琥珀酸的電子通過FAD和鐵硫中心，然后進(jìn)入電子傳遞鏈到O2，丙二酸是琥珀酸的類似物，是琥珀酸脫氫酶強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)性抑制物，所以可以阻斷三羧酸循環(huán)。

(7)延胡索酸的水化

延胡索酸酶僅對(duì)延胡索酸的反式雙鍵起作用，而對(duì)順丁烯二酸(馬來酸)則無催化作用，因而是高度立體特異性的。

(8)草酰乙酸再生

在蘋果酸脫氫酶(malicdehydrogenase)作用下，蘋果酸仲醇基脫氫氧化成羰基，生成草酰乙酸(oxalocetate)，NAD+是脫氫酶的輔酶，接受氫成為NADH+H+(圖4-5)。

圖4-5　三羧酸循環(huán)

三羰酸循環(huán)總結(jié)：

乙酰CoA+3NADH++FAD+GDP+Pi+2H2O—→

2CO2+3NADH+FADH2+GTP+3H+ +CoASH

①CO2的生成，循環(huán)中有兩次脫羧基反應(yīng)(反應(yīng)3和反應(yīng)4)兩次都同時(shí)有脫氫作用，但作用的機(jī)理不同，由異檸檬酸脫氫酶所催化的β氧化脫羧，輔酶是NAD+，它們先使底物脫氫生成草酰琥珀酸，然后在Mn2+或Mg2+的協(xié)同下，脫去羧基，生成α-酮戊二酸。

α-酮戊二酸脫氫酶系所催化的α氧化脫羧反應(yīng)和前述丙酮酸脫氫酶系所催經(jīng)的反應(yīng)基本相同。

應(yīng)當(dāng)指出，通過脫羧作用生成CO2，是機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生CO2的普遍規(guī)律，由此可見，機(jī)體CO2的生成與體外燃燒生成CO2的過程截然不同。

②三羧酸循環(huán)的四次脫氫，其中三對(duì)氫原子以NAD+為受氫體，一對(duì)以FAD為受氫體，分別還原生成NADH+H+和FADH2。它們又經(jīng)線粒體內(nèi)遞氫體系傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，在此過程中釋放出來的能量使ADP和Pi結(jié)合生成ATP，凡NADH+H+參與的遞氫體系，每2H氧化成一分子H2O，生成3分子ATP，而FADH2參與的遞氫體系則生成2分子ATP，再加上三羧酸循環(huán)中有一次底物磷酸化產(chǎn)生一分子ATP，那么，一分子CH2COSCoA參與三羧酸循環(huán)，直至循環(huán)終末共生成12分子ATP。

③乙酰CoA中乙�；奶荚樱阴oA進(jìn)入循環(huán)，與四碳受體分子草酰乙酸縮合，生成六碳的檸檬酸，在三羧酸循環(huán)中有二次脫羧生成2分子CO2，與進(jìn)入循環(huán)的二碳乙�；奶荚訑�(shù)相等，但是，以CO2方式失去的碳并非來自乙酰基的兩個(gè)碳原子，而是來自草酰乙酸。

④三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物，從理論上講，可以循環(huán)不消耗，但是由于循環(huán)中的某些組成成分還可參與合成其他物質(zhì)，而其他物質(zhì)也可不斷通過多種途徑而生成中間產(chǎn)物，所以說三羧酸循環(huán)組成成分處于不斷更新之中。

例如　草楚酰乙酸——→天門冬氨酸

α－酮戊二酸——→谷氨酸

草酰乙酸——→丙酮酸——→丙氨酸

其中丙酮酸羧化酶催化的生成草酰乙酸的反應(yīng)最為重要。

因?yàn)椴蒗Ｒ宜岬暮慷嗌伲苯佑绊懷h(huán)的速度，因此不斷補(bǔ)充草酰乙酸是使三羧酸循環(huán)得以順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

三羧酸循環(huán)中生成的蘋果酸和草酰乙酸也可以脫羧生成丙酮酸，再參與合成許多其他物質(zhì)或進(jìn)一步氧化(圖4-6)。

(二)糖有氧氧化的生理意義

1.三羧酸循環(huán)是機(jī)體獲取能量的主要方式。1個(gè)分子葡萄糖經(jīng)無氧酵解僅凈生成2個(gè)分子ATP，而有氧氧化可凈生成38個(gè)ATP(如表4?)，其中三羧酸循環(huán)生成24個(gè)ATP，在一般生理?xiàng)l件下，許多組織細(xì)胞皆從糖的有氧氧化獲得能量。糖的有氧氧化不但釋能效率高，而且逐步釋能，并逐步儲(chǔ)存于ATP分子中，因此能的利用率也很高。

2.三羧酸循環(huán)是糖，脂肪和蛋白質(zhì)三種主要有機(jī)物在體內(nèi)徹底氧化的共同代謝途徑，三羧酸循環(huán)的起始物乙酰輔酶A，不但是糖氧化分解產(chǎn)物，它也可來自脂肪的甘油、脂肪酸和來自蛋白質(zhì)的某些氨基酸代謝，因此三羧酸循環(huán)實(shí)際上是三種主要有機(jī)物在體內(nèi)氧化供能的共同通路，估計(jì)人體內(nèi)2/3的有機(jī)物是通過三羧酸循環(huán)而被分解的。

3.三羧酸循環(huán)是體內(nèi)三種主要有機(jī)物互變的聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)，因糖和甘油在體內(nèi)代謝可生成α-酮戊二酸及草酰乙酸等三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物，這些中間產(chǎn)物可以轉(zhuǎn)變成為某些氨基酸；而有些氨基酸又可通過不同途徑變成α-酮戊二酸和草酰乙酸，再經(jīng)糖異生的途徑生成糖或轉(zhuǎn)變成甘油，因此三羧酸循環(huán)不僅是三種主要的有機(jī)物分解代謝的最終共同途徑，而且也是它們互變的聯(lián)絡(luò)機(jī)構(gòu)。

(三)糖有氧氧化的調(diào)節(jié)

如上所述糖有氧氧化分為兩個(gè)階段，第一階段糖酵解途徑的調(diào)節(jié)在糖酵解部分已探討過，下面主要討論第二階段丙酸酸氧化脫羧生成乙酰CoA并進(jìn)入三羧酸循環(huán)的一系列反應(yīng)的調(diào)節(jié)。丙酮酸脫氫酶復(fù)合體、檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體是這一過程的限速酶。

丙酮酸脫氫酶復(fù)合體受別位調(diào)控也受化學(xué)修飾調(diào)控，該酶復(fù)合體受它的催化產(chǎn)物ATP、乙酰CoA和NADH有力的抑制，這種別位抑制可被長(zhǎng)鏈脂肪酸所增強(qiáng)，當(dāng)進(jìn)入三羧酸循環(huán)的乙酰CoA減少，而AMP、輔酶A和NAD+堆積，酶復(fù)合體就被別位激活，除上述別位調(diào)節(jié)，在脊椎動(dòng)物還有第二層次的調(diào)節(jié)，即酶蛋白的化學(xué)修飾，PDH含有兩個(gè)亞基，其中一個(gè)亞基上特定的一個(gè)絲氨酸殘基經(jīng)磷酸化后，酶活性就受抑制，脫磷酸化活性就恢復(fù)，磷酸化-脫磷酸化作用是由特異的磷酸激酶和磷酸蛋白磷酸酶分別催化的，它們實(shí)際上也是丙酮酸酶復(fù)合體的組成，即前已述及的調(diào)節(jié)蛋白，激酶受ATP別位激活，當(dāng)ATP高時(shí)，PDH就磷酸化而被激活，當(dāng)ATP濃度下降，激酶活性也降低，而磷酸酶除去PDH上磷酸，PDH又被激活了。

對(duì)三羧酸循環(huán)中檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶的調(diào)節(jié)，主要通過產(chǎn)物的反饋抑制來實(shí)現(xiàn)的，而三羧酸循環(huán)是機(jī)體產(chǎn)能的主要方式。因此ATP/ADP與NADH/NAD+兩者的比值是其主要調(diào)節(jié)物。ATP/ADP比值升高，抑制檸檬酸合成酶和異檸檬酶脫氫酶活性，反之ATP/ADP比值下降可激活上述兩個(gè)酶。NADH/NAD+比值升高抑制檸檬酸合成酶和α－酮戊二酸脫氫酶活性，除上述ATP/ADP與NADH/NAD+之外其它一些代謝產(chǎn)物對(duì)酶的活性也有影響，如檸檬酸抑制檸檬酸合成酶活性，而琥珀酰CoA抑制α-酮戊二酸脫氫酶活性。總之，組織中代謝產(chǎn)物決定循環(huán)反應(yīng)的速度，以便調(diào)節(jié)機(jī)體ATP和NADH濃度，保證機(jī)體能量供給。(圖4-7)。

圖4-6　三羧酸循環(huán)中還原型輔酶和CO2的生成

圖4-7　三羧酸循環(huán)的抑制劑和激活劑

(四)有氧氧化和糖酵解的相互調(diào)節(jié)

Pasteur在研究酵母發(fā)酵時(shí)，發(fā)現(xiàn)在供氧充足的條件下，細(xì)胞內(nèi)糖酵解作用受到抑制。葡萄糖消耗和乳酸生成減少，這種有氧氧化對(duì)糖酵解的抑制作用稱為巴士德效應(yīng)(Pasteureffect)。

產(chǎn)生巴士德效應(yīng)主要是由于在供氧充足的條件下，細(xì)胞內(nèi)ATP/ADP比值升高，抑制了PK和PFK，使6－磷酸果糖和6－磷酸葡萄糖含量增加，后者反饋抑制已糖激權(quán)衡利弊（HK)，使葡萄糖利用減少，呈現(xiàn)有氧氧化對(duì)糖酵解的抑制作用。

Crabtree效應(yīng)與巴士德效應(yīng)相反，在癌細(xì)胞發(fā)現(xiàn)給予葡萄糖時(shí)不論供氧充足與否都呈現(xiàn)很強(qiáng)的酵解反應(yīng)，而糖的有氧氧化受抑制，稱為Crabtree效應(yīng)或反巴士德效應(yīng)。這種現(xiàn)象較普遍地存在于癌細(xì)胞中，此外也存在于一些正常組織細(xì)胞如視網(wǎng)膜、睪丸、顆粒白細(xì)胞等。

一般認(rèn)為，具Crabtree效應(yīng)的細(xì)胞，其酵解酶系(如PK、PFK、HK+)活性強(qiáng)，而線粒體內(nèi)氧化酶系如細(xì)胞色素氧化酶活性則較低，它們?cè)跔?zhēng)奪ADF、Pi及ADH+H+方面線粒體必然處于劣勢(shì)，因而缺乏進(jìn)行氧化磷酸化的底物，即使在供氧充足的情況下，其有氧氧化生成ATP的能力仍低于正常細(xì)胞，呈現(xiàn)Crabtree效應(yīng)。

三、磷酸戊糖途徑

磷酸戊糖途徑(pentosephosphate pathway)又稱已糖單磷酸旁路(hexose monophosphate shut HMS)或磷酸葡萄糖旁路(phosphogluconate shut)。此途徑由6-磷酸葡萄糖開始生成具有重要生理功能的NADPH和5-磷酸核糖。全過程中無ATP生成，因此此過程不是機(jī)體產(chǎn)能的方式。其主要發(fā)生在肝臟、脂肪組織、哺乳期的乳腺、腎上腺皮質(zhì)、性腺、骨髓和紅細(xì)胞等。

(一)反應(yīng)過程

磷酸戊糖途徑在細(xì)胞液中進(jìn)行，全過程分為不可逆的氧化階段和可逆的非氧化階段。在氧化階段，3個(gè)分子6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脫氫酶和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶等催化下經(jīng)氧化脫羧生成6個(gè)分子NADPH+H+，3個(gè)分子CO2和3個(gè)分子5-磷酸核酮糖；在非氧化階段，5-磷酸核酮糖在轉(zhuǎn)酮基酶(TPP為輔酶)和轉(zhuǎn)硫基酶催化下使部分碳鏈進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，經(jīng)三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最終生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油，它們可轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸葡萄糖繼續(xù)進(jìn)行磷酸戊糖途徑，也可以進(jìn)入糖有氧氧化或糖酵解途徑(圖4-8)。此反應(yīng)途徑中的限速酶是6-磷酸葡萄糖脫氫酶，此酶活性受NADPH濃度影響，NADPH濃度升高抑制酶的活性，因此磷酸戊糖途徑主要受體內(nèi)NADPH的需求量調(diào)節(jié)。

圖4-8　已糖磷酸支路反應(yīng)

(二)生理意義

1.5-磷酸核糖的生成，此途徑是葡萄糖在體內(nèi)生成5-磷酸核糖的唯一途徑，故命名為磷酸戊糖通路，體內(nèi)需要的5-磷酸核糖可通過磷酸戊糖通路的氧化階段不可逆反應(yīng)過程生成，也可經(jīng)非氧化階段的可逆反應(yīng)過程生成，而在人體內(nèi)主要由氧化階段生成，5-磷酸核糖是合成核苷酸輔酶及核酸的主要原料，故損傷后修復(fù)、再生的組織(如梗塞的心肌、部分切除后的肝臟)，此代謝途徑都比較活躍。

2.NADPH+H+與NADH不同，它攜帶的氫不是通過呼吸鏈氧化磷酸化生成ATP，而是作為供氫體參與許多代謝反應(yīng)，具有多種不同的生理意義。

(1)作為供氫體，參與體內(nèi)多種生物合成反應(yīng)，例如脂肪酸、膽固醇和類固醇激素的生物合成，都需要大量的NADPH+H+，因此磷酸戊糖通路在合成脂肪及固醇類化合物的肝、腎上腺、性腺等組織中特別旺盛。

(2)NADPH+H+是谷胱甘肽還原酶的輔酶，對(duì)維持還原型谷胱甘肽(GSH)的正常含量，有很重要的作用，GSH能保護(hù)某些蛋白質(zhì)中的巰基，如紅細(xì)胞膜和血紅蛋白上的SH基，因此缺乏6-磷酸葡萄糖脫氫酶的人，因NADPH+H+缺乏，GSH含量過低，紅細(xì)胞易于破壞而發(fā)生溶血性貧血。

(3)NADPH+H+參與肝臟生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)，肝細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)含有以NADPH+H+為供氫體的加單氧酶體系，參與激素、藥物、毒物的生物轉(zhuǎn)化過程。

(4)NADPH+H+參與體內(nèi)嗜中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞產(chǎn)生離子態(tài)氧的反應(yīng)，因而有殺菌作用。

四、糖醛酸代謝

糖醛酸代謝(uronicacid metabolism)主要在肝臟和紅細(xì)胞中進(jìn)行，它由尿嘧啶核苷二磷酸葡萄糖(UDPG)上聯(lián)糖原合成途徑，經(jīng)過一系列反應(yīng)后生成磷酸戊糖而進(jìn)入磷酸戊糖通路，從而構(gòu)成糖分解代謝的另一條通路。

1－磷酸葡萄糖和尿嘧啶核苷三磷酸(UTP)在尿二磷葡萄糖焦磷酸化酶(UDPG焦磷酸化酶)催化下生成尿二磷葡萄糖(UDPG)，UDPG經(jīng)尿二磷葡萄糖脫氫酶的作用進(jìn)一步氧化脫氫生成尿二磷葡萄糖醛酸，脫氫酶的輔酶是NAD+，尿二磷葡萄糖醛酸(UDPGA)脫去尿二磷生成葡萄糖醛酸(glucuronic acid)。葡萄糖醛酸在一系列酶作用下，經(jīng)NADPH+H+供氫和NAD+受氫的二次還原和氧化的過程，生成5-磷酸木酮糖進(jìn)入磷酸戊糖通路(圖4-9)。

圖4-9　糖醛酸代謝

糖醛酸代謝的主要生理功能在于代謝過程中生成了尿二磷葡萄糖醛酸，它是體內(nèi)重要的解毒物質(zhì)之一(詳見肝臟生化章)，同時(shí)又是合成粘多糖的原料(見結(jié)締組織章)。此代謝過程要消耗NADPH+H+(同時(shí)生成NADH+H+)，而磷酸戊糖通路又生成NADPH+H+，因此兩者關(guān)系密切，當(dāng)磷酸戊糖通路發(fā)生障礙時(shí)，必然會(huì)影響糖醛酸代謝的順利進(jìn)行。

五、其它單糖的酵解

人體可吸收利用的單糖除了葡萄糖以外，還有果糖和半乳糖等單糖，它們均可以通過轉(zhuǎn)變過程，最終進(jìn)入糖酵解途徑。

果糖主要由蔗糖分解生成，存在于水果、蔬菜、蜂蜜中。它可被己糖激酶磷酸化，生成6－酸果糖而進(jìn)入糖酵解途徑。

這是體內(nèi)各種組織均可進(jìn)行的果糖磷酸化，但是由于己糖激酶對(duì)果糖的親和力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)葡萄糖的親和力，因此在正常，以葡萄糖為主的食物代謝時(shí)，組織對(duì)果糖的磷酸化效率是很低的。只有在高果糖食物時(shí)，此代謝才進(jìn)行。除上述反應(yīng)外，果糖還有另一個(gè)磷酸化反應(yīng)由果糖激酶(fructokinase)催化，此酶主要存在于肝、腎、小腸細(xì)胞中，本反應(yīng)催化果糖在C1位上磷酸化生成1磷酸果糖。

1－磷酸果糖可進(jìn)一步由醛縮酶B催化裂解形成磷酸二羥丙酮和甘油醛，磷酸二羥丙酮可進(jìn)入糖酵解途徑。甘油醛可進(jìn)一步被丙糖激酶催化生成3-磷酸甘油醛。

通過上述反應(yīng)果糖可轉(zhuǎn)變?yōu)樘墙徒膺^程中的中間產(chǎn)物而進(jìn)入糖酵解代謝途徑。在上述反應(yīng)中，限制果糖代謝的主要酶是磷酸酶B，此酶催化效率低，過量果糖可引起1磷酸果糖堆積而導(dǎo)致肝臟損害，出現(xiàn)低血糖、嘔吐、黃疸、出血等以及高尿酸癥和痛風(fēng)。半乳糖來自牛乳中乳糖的水解，可由半乳糖激酶催化生成1磷酸半乳糖。