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公衛(wèi)執(zhí)業(yè)醫(yī)師生物化學(xué)輔導(dǎo)：糖代謝
糖代謝是生物體廣泛存在的最基本代謝。糖代謝為生物提供重要的碳源和能源。生物所需的能量，主要由糖代謝提供。接下來(lái)我們一起來(lái)看看應(yīng)屆畢業(yè)生小編為大家提供的公衛(wèi)執(zhí)業(yè)醫(yī)師生物化學(xué)輔導(dǎo)：糖代謝。
糖 代 謝
新陳代謝(物質(zhì)代謝)是指生物與周?chē)h(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的過(guò)程。包括同化作用和異化作用。特點(diǎn)：1、溫和條件下由酶催化完成;2、反應(yīng)協(xié)調(diào)而有順序性;3、反應(yīng)分步進(jìn)行并伴有能量變化，有中間產(chǎn)物。
糖代謝是生物體廣泛存在的最基本代謝。糖代謝為生物提供重要的碳源和能源。生物所需的能量，主要由糖代謝提供。糖代謝包括糖的分解代謝和合成代謝，分解代謝包括糖的有氧氧化分解(糖酵解、丙酮酸氧化脫羧、三羧酸循環(huán))和磷酸戊糖途徑;合成代謝包括糖異生和光合作用。
注：代謝章節(jié)的特點(diǎn)是易懂難記，但對(duì)于任何一種代謝過(guò)程無(wú)非學(xué)習(xí)以下幾個(gè)方面知識(shí)：1、每步中間反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物是什么;2、催化的酶是什么;3、物質(zhì)和能量變化情況;4、代謝如何進(jìn)行調(diào)節(jié);(5、生物學(xué)意義)。
一、糖酵解
糖酵解(EMP途徑)：葡萄糖經(jīng)過(guò)一系列中間反應(yīng)后生成丙酮酸的過(guò)程。糖酵解在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。
1、過(guò)程：
1)、 葡萄糖磷酸化形成G-6-P;此反應(yīng)不可逆，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-磷酰基)轉(zhuǎn)移到底物上的酶稱(chēng)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。
2)、 G-6-P異構(gòu)化為F-6-P;此反應(yīng)可逆，反應(yīng)方向由底物與產(chǎn)物的含量水平控制。由磷酸葡萄糖異構(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(shí)保證C2上有羰基存在，這對(duì)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;此反應(yīng)在體內(nèi)不可逆，調(diào)節(jié)位點(diǎn)，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(gè)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);該反應(yīng)可逆，由醛縮酶催化。同時(shí)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(dòng)反應(yīng)向右進(jìn)行。
5)、 磷酸二羥丙酮(DHAP)異構(gòu)化成3-磷酸甘油醛;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(hào)變化：F-1.6-P的C1-P、C6-P都變成了3-磷酸甘油醛的C3-P
6)、 3-磷酸甘油醛氧化成1.3—二磷酸甘油酸;由磷酸甘油醛脫氫酶催化。此反應(yīng)可逆，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(dòng)磷酸化反應(yīng)的進(jìn)行。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(jìng)爭(zhēng)，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;此反應(yīng)可逆，由磷酸甘油酸激酶催化。這是酵解過(guò)程中的第一次底物水平磷酸化反應(yīng)，也是酵解過(guò)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(shí)消耗的2ATP。
8)、 3—磷酸甘油酸轉(zhuǎn)化成2—磷酸甘油酸;此反應(yīng)可逆，磷酸甘油酸變位酶催化，磷酰基從C3移至C2。
9)、 2—磷酸甘油酸脫水生成磷酸烯醇式丙酮酸;此反應(yīng)可逆，烯醇化酶催化。2—磷酸甘油酸中磷脂鍵是一個(gè)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(shì)能。
10)、 磷酸烯醇式丙酮酸生成ATP和丙酮酸;此反應(yīng)不可逆，調(diào)節(jié)位點(diǎn)。由丙酮酸激酶催化，丙酮酸激酶是酵解途徑的第三個(gè)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酰基轉(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
無(wú)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(guò)呼吸鏈間接地被氧化，生成更多的ATP。
1分子NADH→3ATP(或2.5ATP)
1分子FADH2 →2ATP(或1.5 ATP)
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(gè)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(xiàn)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(xiàn)粒體重新氧化成磷酸二羥丙酮，但在線(xiàn)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。
�、伲喊褐辛姿岣视兔摎涿�。
�、冢壕�(xiàn)粒體磷酸甘油脫氫酶。
★蘋(píng)果酸穿梭機(jī)制：
胞液中的NADH可經(jīng)蘋(píng)果酸脫氫酶催化，使草酰乙酸還原成蘋(píng)果酸，再通過(guò)蘋(píng)果酸—2—酮戊二酸載休轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)入線(xiàn)粒體內(nèi)，由線(xiàn)粒體內(nèi)的蘋(píng)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(xiàn)粒體上的載體轉(zhuǎn)運(yùn)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(píng)果酸穿梭，胞液中NADH進(jìn)入呼吸鏈氧化，產(chǎn)生3個(gè)ATP。
糖酵解過(guò)程中包含兩個(gè)底物水平磷酸化：一為1,3-二磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油酸;二為磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸帷?/p>
2、調(diào)節(jié)
1)6-磷酸果糖激酶-1
變構(gòu)抑制劑：ATP、檸檬酸
變構(gòu)激活劑：AMP、ADP、1，6-雙磷酸果糖(產(chǎn)物反饋激，比較少見(jiàn))和2，6-雙磷酸果糖(最強(qiáng)的激活劑)。
2)丙酮酸激酶
變構(gòu)抑制劑：ATP 、肝內(nèi)的丙氨酸
變構(gòu)激活劑：1，6-雙磷酸果糖
3)葡萄糖激酶
變構(gòu)抑制劑：長(zhǎng)鏈脂酰輔酶A
注：此項(xiàng)無(wú)需死記硬背，理解基礎(chǔ)上記憶是很容易的，如知道糖酵解是產(chǎn)生能量的，那么有ATP等能量形式存在，則可抑制該反應(yīng)，以利節(jié)能，上述的檸檬酸經(jīng)三羧酸循環(huán)也是可以產(chǎn)生能量的，因此也起抑制作用;產(chǎn)物一般來(lái)說(shuō)是反饋抑制的;但也有特殊，如上述的1，6-雙磷酸果糖。特殊的需要記憶，只屬少數(shù)。以下類(lèi)同。關(guān)于共價(jià)修飾的調(diào)節(jié)，只需記住幾個(gè)特殊的即可，下面章節(jié)提及。
3、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(shí)(乳酸菌、劇烈運(yùn)動(dòng)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
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(shí)，則會(huì)通過(guò)乙醛的氧化生成乙酸，制醋。
4) 丙酮酸進(jìn)行糖異生
4、 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，通過(guò)形成糖酵解的某一中間產(chǎn)物。各種單糖進(jìn)入糖酵解的途徑，如糖原降解產(chǎn)物G—1—P異構(gòu)成G—6—P。
5、糖酵解的生理意義
1)葡萄糖分解代謝的共同途徑;
2)對(duì)于厭氧生物、缺氧或某些病理的組織來(lái)說(shuō)，是糖分解和獲得能量的主要方式;
3)糖酵解形成的很多中間產(chǎn)物，可作為合成其他物質(zhì)的原料，與其他代謝途徑聯(lián)系起來(lái)。
6、乳酸循環(huán)：葡萄糖在肌肉組織中經(jīng)糖的無(wú)氧酵解產(chǎn)生的乳酸，可經(jīng)血循環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)至肝臟，再經(jīng)糖的異生作用生成自由葡萄糖后轉(zhuǎn)運(yùn)至肌肉組織加以利用，這一循環(huán)過(guò)程就稱(chēng)為乳酸循環(huán)(Cori循環(huán))。Cori循環(huán)是一個(gè)耗能過(guò)程：2分子乳酸生成1分子Glc，消耗6個(gè)ATP。
乳酸循環(huán)是由于肝內(nèi)糖異生活躍，又有葡萄糖-6-磷酸酶可水解6-磷酸葡萄糖，釋出葡萄糖。肌肉除糖異生活性低外，又沒(méi)有葡萄糖-6-磷酸酶。
乳酸循環(huán)生理意義：避免損失乳酸以及防止因乳酸堆積引起酸中毒。
二、糖有氧氧化
葡萄糖的有氧氧化包括四個(gè)階段。
�、偬墙徒猱a(chǎn)生丙酮酸(2丙酮酸、 2ATP、2NADH)
②丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA 2×(CO2、NADH)
�、廴人嵫h(huán) 2×(2CO2、ATP、3NADH、FADH2)
�、芎粑溠趸姿峄� (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(guò)程，又稱(chēng)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(xiàn)粒體中
1、丙酮酸脫羧生成乙酰CoA。此反應(yīng)在真核細(xì)胞的線(xiàn)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)。
1) 丙酮酸脫氫酶系：丙酮酸脫氫酶系是一個(gè)十分龐大的多酶體系，位于線(xiàn)粒體膜上，電鏡下可見(jiàn)。
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(gè)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(jià)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(shí)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(gè)酶活性位置轉(zhuǎn)到另一個(gè)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。
2) 反應(yīng)步驟：
(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將乙酰基轉(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
3) 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(diǎn)，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(jià)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(wú)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。
4) 能量變化：1分子丙酮酸生成1分子乙酰CoA，產(chǎn)生1分子NADH(3ATP)。
2、 三羧酸循環(huán)(TCA)的過(guò)程
TCA循環(huán)：每輪循環(huán)有2個(gè)C原子以乙酰CoA形式進(jìn)入，有2個(gè)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
(1)、 乙酰CoA+草酰乙酸→檸檬酸
檸檬酸合酶，TCA中第一個(gè)調(diào)節(jié)酶：受ATP、NADH、琥珀酰CoA、和長(zhǎng)鏈脂肪酰CoA的抑制;受乙酰CoA、草酸乙酸激活。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(chóng)劑、滅鼠藥。
(2)、 檸檬酸→異檸檬酸
由順鳥(niǎo)頭酸酶催化
(3)、 異檸檬酸氧化脫羧生成α-酮戊二酸和NADH
異檸檬酸脫氫酶，這是三羧酸循環(huán)中第一次氧化脫羧反應(yīng)， TCA中第二個(gè)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(shí)，酶活性被抑制。線(xiàn)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(xiàn)粒體中，后者在線(xiàn)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
α-酮戊二酸脫氫酶系，TCA循環(huán)中的第三個(gè)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
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(dòng)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
琥珀酸脫氫酶是TCA循環(huán)中唯一嵌入線(xiàn)粒體內(nèi)膜的酶。丙二酸是琥珀酸脫氫酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑，可阻斷三羧酸循環(huán)。
(7)、 延胡索酸水化生成L-蘋(píng)果酸
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(píng)果酸。
(8)、 L-蘋(píng)果酸脫氫生成草酰乙酸和NADH
L-蘋(píng)果酸脫氫酶，平衡有利于逆反應(yīng)，但生理?xiàng)l件下，反應(yīng)產(chǎn)物草酰乙酸不斷合成檸檬酸，其在細(xì)胞中濃度極低，少于10-6mol/L，使反應(yīng)向右進(jìn)行。
2) TCA循環(huán)小結(jié)
(1)、總反應(yīng)式：
丙酮酸 + 4NAD+ + FAD + GDP → 4NADH + FADH2 + GTP + 3CO2 + H2O
乙酰CoA + 3NAD+ + FAD + GDP → 3NADH + FADH2 + GTP + 2CO2 + H2O
(2)、 一次底物水平的磷酸化、二次脫羧反應(yīng)，三個(gè)調(diào)節(jié)位點(diǎn)，四次脫氫反應(yīng)。
3個(gè)NADH、1個(gè)FADH2進(jìn)入呼吸鏈
(3)、 三羧酸循環(huán)中碳骨架的不對(duì)稱(chēng)反應(yīng)
同位素標(biāo)記表明，乙酰CoA上的兩個(gè)C原子在第一輪TCA上并沒(méi)有被氧化。
被標(biāo)記的羰基碳在第二輪TCA中脫去。在第三輪TCA中，兩次脫羧，可除去最初甲基碳的50%，以后每循環(huán)一次，脫去余下甲基碳的50%
3) 一分子Glc徹底氧化產(chǎn)生的ATP數(shù)量(按NADH的P/O=3,FADH2的為2來(lái)計(jì)算)
(在肝臟中)
反應(yīng) 酶 ATP消耗 產(chǎn)生ATP方式 ATP數(shù)量 合計(jì)
糖 酵 解 已糖激酶 1 -1 8
磷酸果糖激酶 1 -1
磷酸甘油醛脫氫酶 NADH呼吸鏈氧化磷酸化 2×3
磷酸甘油酸激酶 底物水平磷酸化 2×1
丙酮酸激酶 底物水平磷酸化 2×1
TCA 丙酮酸脫氫酶復(fù)合物 NADH 2×3 30
異檸檬酸脫氫酶 NADH 2×3
α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合物 NADH 2×3
琥珀酸脫氫酶 FADH2 2×2
蘋(píng)果酸脫氫酶 NADH 2×3
琥珀酰CoA合成酶 底物水平磷酸化 2×1
凈產(chǎn)生：38ATP
在骨骼肌、腦細(xì)胞中，凈產(chǎn)生：36ATP
甘油磷酸穿梭，1個(gè)NADH生成2個(gè)ATP
蘋(píng)果酸穿梭，1個(gè)NADH生成3個(gè)ATP
(1)、 磷酸甘油穿梭機(jī)制：
磷酸二羥丙酮+NADH+H+→3-磷酸甘油+NAD+
3-磷酸甘油進(jìn)入線(xiàn)粒體，將2H交給FAD而生成FADH2，F(xiàn)ADH2可傳遞給輔酶Q，進(jìn)入呼吸鏈，產(chǎn)生2ATP(3-磷酸甘油脫氫酶的輔酶是FAD)。
(2)、 蘋(píng)果酸穿梭機(jī)制：
胞液中NADH可經(jīng)蘋(píng)果酸酶催化，使草酰乙酸還原成蘋(píng)果酸，再通過(guò)蘋(píng)果酸-α-酮戊二酸載體轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)入線(xiàn)粒體，由線(xiàn)粒體內(nèi)蘋(píng)果酸脫氫酶催化，生成NADH和草酰乙酸，NADH進(jìn)入呼吸鏈氧化，生成3ATP。(蘋(píng)果酸脫氫酶的輔酶是NAD+)
1分子Glc在肝、心中完全氧化，產(chǎn)生38ATP，在骨骼肌、神經(jīng)系統(tǒng)組織中，產(chǎn)生36ATP。
4) 三羧酸循環(huán)的代謝調(diào)節(jié)
(1)、 檸檬酸合酶(限速酶)：受ATP、NADH、琥珀酰CoA及脂酰CoA抑制。
受乙酰CoA、草酰乙酸激活
(2)、 異檸檬酸脫氫酶：NADH、ATP可抑制此酶，ADP可活化此酶，當(dāng)缺乏ADP時(shí)就失去活性。
(3)、 α-酮戊二酸脫氫酶：受NADH和琥珀酰CoA抑制。
5) TCA的生物學(xué)意義
(1) 氧化提供能量。線(xiàn)粒體外的NADH，可通過(guò)3-磷酸甘油穿梭和蘋(píng)果酸穿梭機(jī)制，運(yùn)到線(xiàn)粒體內(nèi)，經(jīng)呼吸鏈再氧化，這兩種機(jī)制在不同組織的細(xì)胞中起作用。
(2) TCA是生物體內(nèi)其它有機(jī)物氧化的主要途徑，如脂肪、氨基酸、糖
(3) TCA是物質(zhì)代謝的樞紐。一方面，TCA是糖、脂肪、氨基酸等徹底氧化分解的共同途徑;另一方面，循環(huán)中生成的草酰乙酸、α-酮戊二酸、檸檬酸、琥珀酰CoA和延胡索酸等又是合成糖、氨基酸、脂肪酸、卟啉等的原料，因而TCA將各種有機(jī)物的代謝聯(lián)系起來(lái)。TCA是聯(lián)系體內(nèi)三大物質(zhì)代謝的中心環(huán)節(jié)，為合成其它物質(zhì)提供C架。
6) TCA的回補(bǔ)反應(yīng)
三羧酸循環(huán)中間物的的回補(bǔ)：在TCA循環(huán)中，有些中間產(chǎn)物是合成其它物質(zhì)的前體，如卟啉的主要碳原子來(lái)自琥珀酰CoA，Glu、Asp可以從α-酮戊二酸和草酰乙酸衍生而成，一旦草酰乙酸濃度下降，則會(huì)影響TCA循環(huán)，因此這些中間產(chǎn)物必須不斷補(bǔ)充，以維持TCA循環(huán)。
產(chǎn)生草酰乙酸的途徑有三個(gè)：
(1)、 丙酮酸羧化酶催化丙酮酸生成草酰乙酸
丙酮酸羧化酶是一個(gè)調(diào)節(jié)酶，乙酰CoA可以增加其活性。需要生物素為輔酶
(2)、 磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)化成草酰乙酸
在腦、心臟中存在這個(gè)反應(yīng)。
(3)、 Asp、Glu轉(zhuǎn)氨可生成草酰乙酸和α-酮戊二酸
Ile、Val、Thr、Met也會(huì)形成琥珀酰CoA，最后生成草酰乙酸
附： 葡萄糖有氧氧化生成的ATP
反 應(yīng) 輔酶 ATP
第一階段 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 -1
6-磷酸果糖 1，6雙磷酸果糖 -1
2*3-磷酸甘油醛 2*1,3-二磷酸甘油酸 NAD+ 2*3或2*2(詳見(jiàn))
2*1,3-二磷酸甘油酸 2*3-磷酸甘油酸 2*1
2*磷酸烯醇式丙酮酸 2*丙酮酸 2*1
第二階段 2*丙酮酸 2*乙酰CoA NAD+ 2*3
第三階段 2*異檸檬酸 2*α-酮戊二酸 NAD+ 2*3
2*α-酮戊二酸 2*琥珀酰CoA NAD+ 2*3
2*琥珀酰CoA 2*琥珀酸 2*1
2*琥珀酸 2*延胡索酸 FAD 2*2
2*蘋(píng)果酸 2*草酰乙酸 NAD+ 2*3
凈生成 38或36個(gè)ATP
3、磷酸戊糖途徑
也稱(chēng)磷酸己糖支路，發(fā)生在胞質(zhì)中。細(xì)胞內(nèi)Glc的氧化分解，除通過(guò)糖酵解，三羧酸循環(huán)和發(fā)酵外，還能直接氧化分解。即反應(yīng)開(kāi)始，在G-6-P上的C2原子上直接氧化，通過(guò)一系列轉(zhuǎn)化被分解，此為磷酸戊糖途徑。
兩個(gè)事實(shí)：
�、儆玫庖宜岷头镆种铺墙徒�(磷酸甘油醛脫氫酶)發(fā)現(xiàn)Glc的消耗并不因此而受影響，證明葡萄糖還有其它的分解途徑
②用14C分別標(biāo)記Glc的C1和C6，然后分別測(cè)定14CO2生成量，發(fā)現(xiàn)C1標(biāo)記的Glc比C6標(biāo)記的Glc更快、更多地生成14CO2 ，如果糖酵解是唯一的代謝途徑，那么14C1和14C2生成14CO2的速度應(yīng)該相同。
1)、 反應(yīng)過(guò)程
Glc經(jīng)磷酸戊糖途徑氧化分解可分為兩個(gè)階段。
第一階段：6-磷酸葡萄糖氧化脫羧生成5-磷酸核糖
第二階段：磷酸戊糖分子重排，產(chǎn)生不同碳鏈長(zhǎng)度的磷酸單糖
(1) 6-磷酸葡萄糖脫氫脫羧生成5-磷酸核酮糖
在此氧化脫羧階段中，Glc經(jīng)兩次脫氫，一次脫羧，生成5-磷酸核酮糖及NADPH。6-磷酸葡萄糖脫氫酶是磷酸戊糖途徑的調(diào)控酶，NADPH反饋抑制此酶活性。
(2) 磷酸戊糖異構(gòu)生成5-磷酸核糖及5-磷酸木酮糖
(表異構(gòu)酶)5-磷酸木酮糖產(chǎn)率：2/3; (異構(gòu)酶) 5-磷酸核糖產(chǎn)率：1/3
(3) 磷酸戊糖通過(guò)轉(zhuǎn)酮、轉(zhuǎn)醛反應(yīng)生成酵解途徑的中間產(chǎn)物(F-6-P，3-磷酸甘油醛)
a. 轉(zhuǎn)酮反應(yīng)：5-磷酸木酮糖將自身的二碳單位(羥乙酰基)轉(zhuǎn)到5-磷酸核糖的C1上，生成3-磷酸甘油醛和7-磷酸景天庚酮糖。
轉(zhuǎn)酮酶需TPP為輔酶，作用機(jī)理與丙酮酸脫氫酶中的TPP類(lèi)似。
b. 轉(zhuǎn)醛反應(yīng)：轉(zhuǎn)醛酶將7-磷酸庚酮糖上的三碳單位(二羥丙酮基)轉(zhuǎn)到3-磷酸甘油醛的C1上，生成4-磷酸赤鮮糖和6-磷酸果糖。
(4)轉(zhuǎn)酮反應(yīng)(轉(zhuǎn)酮酶)
4-磷酸赤鮮糖接受另一分子5-磷酸木酮糖上的二碳單位(羥乙�；�)，生成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛
磷酸戊糖分子重排的總結(jié)果是：
2個(gè)5-磷酸木酮糖 + 1個(gè)5-磷酸核糖 → 2個(gè)(F-6-P) + 1個(gè)3磷酸甘油醛
由于5-磷酸木酮糖可以由5-磷酸核糖經(jīng)差向酶轉(zhuǎn)化而來(lái)，所以上式可寫(xiě)成：
3個(gè)5-磷酸核糖 → 2個(gè)(F-6-P) + 1個(gè)3磷酸甘油醛。
因此，在細(xì)胞中若形成過(guò)量的磷酸戊糖可以經(jīng)磷酸戊糖途徑轉(zhuǎn)化為6-磷酸果糖及3-磷酸甘油醛，與糖酵解途徑相連。
2) 磷酸戊糖途徑小結(jié)
1、 通過(guò)此途徑，可將G-6-P徹底氧化
G-6-P + 12NADP+ + 6H2O → 12NADPH + 12H+ + 6CO2 相當(dāng)于(36-1)個(gè)ATP
3) 磷酸戊糖途徑的調(diào)節(jié)
6-磷酸葡萄糖脫氫酶是磷酸戊糖途徑的限速酶，催化不可逆反應(yīng)。其活性主要受NADP+/NADPH比例的調(diào)節(jié)。機(jī)體內(nèi)，NAD+/NADH為700，而NADP+/NADPH僅為0.014，這就使NADPH可以進(jìn)行有效地反饋抑制調(diào)節(jié)6-磷酸葡萄糖脫氫酶和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶的活性。只有NADPH被生物合成消耗后，才能解除抑制。
非氧化階段戊糖的轉(zhuǎn)變主要受控于底物的濃度。5-磷酸核糖過(guò)多時(shí)可以轉(zhuǎn)化為6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛進(jìn)行酵解。
4) 磷酸戊糖途徑與糖酵解途徑的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)
G-6-P的流向取決于對(duì)NADPH、磷酸戊糖及ATP的需要。
(1)需要核糖-5-P(用于合成嘌呤核苷酸)的量比NADPH的量大得多時(shí)，大多數(shù)G-6-P轉(zhuǎn)變成5-磷酸核糖。還可由轉(zhuǎn)酮酶、轉(zhuǎn)醛酶催化，將2分子F-6-P和一分子甘油醛-3-P轉(zhuǎn)變成3分子核糖-5-P。
G-6-P + 2NADP+ +H2O → 核糖-5-P + 2NADPH + 2H+
2 果糖-6-P + 甘油醛-3-P → 3 核糖-5-P
(2)對(duì)NADPH和5-磷酸核糖的需要量平衡時(shí)，代謝就通過(guò)氧化階段由G-6-P氧化脫羧，生成2個(gè)NADPH和1個(gè)核糖-5-P
反應(yīng)：G-6-P + 2NADP+ + H2O→核糖-5-P + 2NADP + 2H+ +CO2
(3)需要NADPH的量比5-磷酸核糖的量多得多時(shí)，G-6-P就完全氧化成CO2
反應(yīng)式：6(G-6-P)+ 12NADP+ + 6H2O→6(5-磷酸核糖)+ 12NADPH+ 12H+ + 6CO2
生成的5-磷酸核糖通過(guò)非氧化重組及Glc異生作用，再合成G-P-6。
G-6-P + 12NADP+ + 6H2O → 12NADPH + 12H+ + 6CO2
(4)需要 NADPH和 ATP更多時(shí)，G-6-P轉(zhuǎn)化成丙酮酸
磷酸戊糖途徑→3-磷酸甘油醛+6-磷酸果糖→糖酵解
3(G-6-P)+ 6NADP+ + 5NAD+ +5Pi + 8ADP→
5丙酮酸 + 6NADPH + 5NADH2 + 8ATP + 2H2O + 8H+ +3CO2
5) 磷酸戊糖途徑的生理意義
(1) 產(chǎn)生大量的NADPH，為細(xì)胞的各種合成反應(yīng)提供主要的還原力。
NADPH作為主要的供氫體，為脂肪酸、固醇、四氫葉酸等的合成，非光合細(xì)胞中硝酸鹽、亞硝酸鹽的還原，及氨的同化等所必需。哺乳動(dòng)物的脂肪細(xì)胞和紅細(xì)胞中占50%，肝中占10﹪。
(2) 中間產(chǎn)物為許多化合物的合成提供原料。產(chǎn)生的磷酸戊糖參加核酸代謝。4-磷酸赤蘚糖與糖酵解中的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)可合成莽草酸，經(jīng)莽草酸途徑可合成芳香族a.a。
(3) 是植物光合作用中CO2合成Glc的部分途徑。
注：NADPH主要用于還原反應(yīng)，其電子通常不經(jīng)電子傳遞鏈傳遞，一般不用于A(yíng)TP合成。如NADPH用于供能，需通過(guò)兩個(gè)偶聯(lián)反應(yīng)，進(jìn)行穿梭轉(zhuǎn)運(yùn)，將氫轉(zhuǎn)移至線(xiàn)粒體NAD+上。胞液內(nèi)：α-酮戊二酸+CO2+NADPH+H+=異檸檬酸+NADP+ 異檸檬酸能自由通過(guò)線(xiàn)粒體膜，傳遞氫。線(xiàn)粒體內(nèi)：異檸檬酸+NAD+=α-酮戊二酸+CO2+NADH+H+ 一分子Glc經(jīng)磷酸戊糖途徑，完全氧化，產(chǎn)生12分子NADPH，可生成(36-1)=35ATP 。
4、糖的異生作用
糖異生是指從非糖物質(zhì)合成Glc的過(guò)程。植物利用光、CO2和H2O合成糖。動(dòng)物可以將丙酮酸、甘油、乳酸及某些氨基酸等非糖物質(zhì)轉(zhuǎn)化成糖。
1) 糖異生的證據(jù)及生理意義
證據(jù)：大鼠禁食24h，肝糖原由7%降至1%。再喂乳酸、丙酮酸或TCA中間產(chǎn)物，肝糖原會(huì)增加。
意義：糖異生是一個(gè)十分重要的生物合成葡萄糖的途徑。紅細(xì)胞及大腦是以Glc為主要能量，成人每天需160克Glc，而其中120克Glc用于腦代謝。
糖異生主要在肝臟中進(jìn)行，腎上腺皮質(zhì)中也有，腦和肌肉細(xì)胞中很少。因此，在血中葡萄糖濃度降低時(shí)首先是腦受到傷害。
2) 糖異生途徑
糖異生起源于細(xì)胞線(xiàn)粒體內(nèi)。由丙酮酸生成Glc是糖異生的主要途徑。從丙酮酸到葡萄糖的糖異生途徑不是糖酵解的簡(jiǎn)單逆轉(zhuǎn)，因?yàn)樵谔墙徒庵杏?步是不可逆步驟，糖異生時(shí)必須饒過(guò)這3步：①Glc到G-6-P ，②F-6-P到F-1.6-P ③PEP到丙酮酸
(1)丙酮酸被羧化成草酰乙酸(線(xiàn)粒體內(nèi))
丙酮酸 + CO2 + ATP → 草酰乙酸 + ADP
丙酮酸羥化酶需要生物素為輔酶。人和哺乳動(dòng)物的丙酮酸羧化酶主要存在于肝臟和腎的線(xiàn)粒體內(nèi)，所以細(xì)胞液中的丙酮酸要經(jīng)過(guò)運(yùn)載載體進(jìn)入線(xiàn)粒體后才能羧化成草酰乙酸。
丙酮酸羧化酶還催化三羧酸循環(huán)的回補(bǔ)反應(yīng)，所以，草酰乙酸既是糖異生的中間物，又是三羧酸循環(huán)的中間物，丙酮酸羧化酶聯(lián)系著三羧酸循環(huán)和糖異生作用
丙酮酸羧化酶是別構(gòu)酶，受乙酰CoA和高比值A(chǔ)TP/ADP的激活。若細(xì)胞內(nèi)ATP含量高，則三羧酸循環(huán)的速度降低，糖異生作用加強(qiáng)。
(2)草酰乙酸被還原成蘋(píng)果酸(線(xiàn)粒體內(nèi))，蘋(píng)果酸脫氫酶。
該反應(yīng)的逆反應(yīng)就是TCA。生成的蘋(píng)果酸從線(xiàn)粒體內(nèi)運(yùn)到線(xiàn)粒體外。
(3)蘋(píng)果酸被重新氧化成草酰乙酸(線(xiàn)粒體外)，蘋(píng)果酸脫氫酶。
(4)草酰乙酸生成磷酸烯醇式丙酮酸，丙酮酸羧化激酶。
(5) 磷酸烯醇式丙酮酸沿糖酵解的逆方向生成1.6—二磷酸果糖。
(6)、 F-1.6-P → F-6-P ，果糖二磷酸酶。
這是糖異生的關(guān)鍵反應(yīng)，果糖二磷酸酶被AMP、2.6—二磷酸果糖強(qiáng)烈抑制，但被ATP、檸檬酸和3—磷酸甘油酸激活。
(7)6-磷酸果糖異構(gòu)化為6-磷酸葡萄糖，磷酸葡萄糖異構(gòu)酶。
(8) 6-磷酸葡萄糖生成葡萄糖，葡萄糖-6-磷酸酶。
糖異生總反應(yīng)：
2丙酮酸+4ATP+2GTP+2NADH+2H++4H20→Glc+2NAD++4ADP+2GDP+6Pi.
從2分子丙酮酸形成Glc共消耗6個(gè)ATP，2個(gè)NADH。在糖異生中，有三步反應(yīng)與糖酵解途徑不同：丙酮酸→磷酸烯醇式丙酮酸;1.6—二磷酸果糖→F—6—P;G—6—P→Glc
3) 糖異生途徑的前體
凡是能生成丙酮酸或成草酰乙酸的物質(zhì)都可以變成葡萄糖，如TCA中全部的中間產(chǎn)物，大多數(shù)氨基酸。植物微生物經(jīng)過(guò)乙醛酸循環(huán)，可將乙酰CoA轉(zhuǎn)化成草酰乙酸，因此可以將脂肪酸轉(zhuǎn)變成糖。動(dòng)物體中不存在乙醛酸循環(huán)，因此不能將乙酰CoA轉(zhuǎn)變成糖。
非生糖氨基酸：Ile、Leu、Tyr、Trp
反芻動(dòng)物胃、腸道細(xì)菌分解纖維素，產(chǎn)生乙酸、丙酸、丁酸等，其中奇數(shù)碳脂肪酸可轉(zhuǎn)變成琥珀酰CoA，進(jìn)入TCA，生糖。
4) 糖異生和糖酵解的代謝協(xié)調(diào)調(diào)控
糖異生和糖酵解在細(xì)胞中是兩個(gè)相反的代謝途徑，同時(shí)，又是協(xié)調(diào)的。
�、俑邼舛菺—6—P抑制已糖激酶，活化G—6—P酶，抑制酵解，促進(jìn)異生。
②酵解和異生的控制點(diǎn)是F—6—P與F—1.6—2P的轉(zhuǎn)化。
糖異生的關(guān)鍵調(diào)控酶是F—1.6—2P酶，而糖酵解的關(guān)鍵調(diào)控酶是磷酸果糖激酶。
ATP促進(jìn)酵解，檸檬酸促進(jìn)糖異生。
F-2.6-P是強(qiáng)效應(yīng)物，促進(jìn)酵解，減弱異生。
③丙酮酸到PEP的轉(zhuǎn)化在糖異生中是由丙酮酸羧化酶調(diào)節(jié)，在酵解中被丙酮酸激酶調(diào)節(jié)。
乙酰CoA激活丙酮酸羧化酶的活性，抑制丙酮酸脫氫酶的活性，因此乙酰CoA過(guò)量時(shí)，可促進(jìn)Glc 生成。
�、芙徒馀c異生途徑，一個(gè)途徑開(kāi)放，另一途徑就關(guān)閉，可避免無(wú)效循環(huán)。
無(wú)效循環(huán)：由不同酶催化的兩個(gè)相反代謝，反應(yīng)條件不一樣，一個(gè)方向需ATP參加，另一方向則進(jìn)行水解，結(jié)果使ATP水解，消耗能量，反應(yīng)物無(wú)變化。
酵解和異生中有三個(gè)點(diǎn)可能產(chǎn)生無(wú)效循環(huán)，這種無(wú)效循環(huán)只能產(chǎn)生熱量供自身需要。
�、菁に貙�(duì)酵解和異生的調(diào)控
腎上腺素、胰高血糖素和糖皮質(zhì)激素促進(jìn)異生，胰島素加強(qiáng)酵解。
5)糖異生的生理意義
(1)空腹或饑餓時(shí)依賴(lài)氨基酸、甘油等異生成糖，以維持血糖水平恒定。
(2)回收乳酸分子中的能量。
(3)調(diào)節(jié)酸堿平衡。
(4)協(xié)助氨基酸代謝。
5、其他糖類(lèi)的合成
與核苷酸聚合形成核酸不同，葡萄糖只有在活化后形成了糖核苷酸(NDPG)才能合成寡糖和多糖。這與氨基酸活化后形成肽鏈有些類(lèi)似。葡萄糖的活化形式： 尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)、腺苷二磷酸葡萄糖(ADPG)、鳥(niǎo)苷二磷酸葡萄糖(GDPG)
1)蔗糖的合成
蔗糖的生物合成的途徑有以下兩條：
1、蔗糖合成酶催化UDPG和果糖合成蔗糖;(非光合組織)
2、磷酸 蔗糖合成酶催化UDPG和6-磷酸葡萄糖合成磷酸蔗糖，再在磷酸蔗糖磷酸酶作用下生成蔗糖;(蔗糖合成的主要途徑，光合組織)
2)淀粉的合成
(1)直鏈淀粉由以下三個(gè)酶合成:
淀粉磷酸酶，催化1-磷酸葡萄糖+引物(nG)形成 淀粉 [ (n+1)G ]+磷酸 (n≥3)
D酶(糖苷轉(zhuǎn)移酶)，將麥芽糖的殘余段加成到其他α-1，4糖苷鍵的多糖上，形成引物。
淀粉合成酶，淀粉合成的主要途徑，以ADPG為主要原料催化ADPG+引物(nG)形成淀粉[ (n+1) ]G+ADP
(2)支鏈淀粉在淀粉合成酶和1，4-α-葡聚糖分支酶(Q酶)共同作用下合成
3) 糖原的合成與分解
糖原是葡萄糖的儲(chǔ)存形式，又被稱(chēng)為動(dòng)物淀粉，主要發(fā)生在肝臟、骨骼肌中。
糖原合成的反應(yīng)過(guò)程可分為三個(gè)階段：
(1)活化：.由己糖激酶(葡萄糖激酶)催化葡萄糖生成UDPG(uridine diphosphate glucose)，是一耗能過(guò)程。
a.磷酸化：己糖激酶(葡萄糖激酶)催化G + ATP 形成G-6-P + ADP
b.異構(gòu)：磷酸葡萄糖變位酶催化G-6-P轉(zhuǎn)變?yōu)镚-1-P
c. 轉(zhuǎn)形：UDPG焦磷酸化酶催化G-1-P + UTP形成UDPG + PPi
(2)縮合：糖原合酶催化UDPG + (G)n形成(G)n+1 + UDP
(3)分支：當(dāng)直鏈長(zhǎng)度達(dá)12個(gè)葡萄糖殘基以上時(shí)，在分支酶(branching enzyme)的催化下，將距末端6～7個(gè)葡萄糖殘基組成的寡糖鏈由α-1,4-糖苷鍵轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;-1,6-糖苷鍵，使糖原出現(xiàn)分支。
糖原合成的特點(diǎn)：1.必須以原有糖原分子作為引物;
2.合成反應(yīng)在糖原的非還原端進(jìn)行;
3.合成為一耗能過(guò)程，每增加一個(gè)葡萄糖殘基，需消耗2個(gè)高能磷酸鍵(2分子ATP);
4.其關(guān)鍵酶是糖原合酶(glycogen synthase)，為一共價(jià)修飾酶;
5.需UTP參與( 以UDP為載體)。
糖原的分解：
(1)水解a.磷酸解：由糖原磷酸化酶(glycogen phosphorylase)催化對(duì)α-1,4-糖苷鍵磷酸解，生成G-1-P。 (G)n + P i (G)n-1 + G-1-P
b. 轉(zhuǎn)寡糖鏈：當(dāng)糖原被水解到離分支點(diǎn)四個(gè)葡萄糖殘基時(shí)，由葡聚糖轉(zhuǎn)移酶催化，將分支鏈上的三個(gè)葡萄糖殘基轉(zhuǎn)移到直鏈的非還原端，使分支點(diǎn)暴露。
c. 脫支：由α-1,6-葡萄糖苷酶催化。將α-1,6-糖苷鍵水解，生成一分子自由葡萄糖。
(G)n + H2O (G)n-1 + G
(2)異構(gòu)： 磷酸葡萄糖變位酶催化G-1-P生成G-6-P
(3)脫磷酸：由葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-phosphatase)催化，生成自由葡萄糖。該酶只存在于肝及腎中。
G-6-P + H2O G + Pi
糖原分解代謝的特點(diǎn)：
1.水解反應(yīng)在糖原的非還原端進(jìn)行;
2.是一非耗能過(guò)程;
3.關(guān)鍵酶是糖原磷酸化酶(glycogen phosphorylase)，為一共價(jià)修飾酶，其輔酶是磷酸吡哆醛。
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