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(wú)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(wú)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(guò)程，此過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)細(xì)胞膜m.bhskgw.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(guò)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(guò)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(guò)程，第二階段5個(gè)反應(yīng)生成4個(gè)分子ATP為釋能過(guò)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(guò)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(guò)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(wú)抑制作用。

HK與GK兩者區(qū)別見(jiàn)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(wú)

(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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)自無(wú)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(guò)程中產(chǎn)生的能量直接將ADP磷酸化生成ATP的過(guò)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(guò)程。但此反應(yīng)是不可逆的。

丙酮酸激酶是糖的有氧氧化過(guò)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(wú)氧酵解　在細(xì)胞液階段的過(guò)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(guò)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(píng)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)始，因開(kāi)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(wú)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(guò)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(wú)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(guò)糖酵解過(guò)程，以補(bǔ)充所需的能量。在劇烈運(yùn)動(dòng)后，可見(jiàn)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(guò)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(guò)糖酵解來(lái)獲取能量。倘若糖酵解過(guò)度，可因乳酸產(chǎn)生過(guò)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(guò)調(diào)節(jié)酶的活性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在一個(gè)代謝過(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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�；凶銐蚰芰颗c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(guò)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(lái)自琥珀酸的電子通過(guò)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(lái)酸)則無(wú)催化作用，因而是高度立體特異性的。

(8)草酰乙酸再生

在蘋(píng)果酸脫氫酶(malicdehydrogenase)作用下，蘋(píng)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(guò)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(jiàn)，機(jī)體CO2的生成與體外燃燒生成CO2的過(guò)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(guò)程中釋放出來(lái)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(lái)自乙酰基的兩個(gè)碳原子，而是來(lái)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(guò)多種途徑而生成中間產(chǎn)物，所以說(shuō)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(mén)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�，直接影響循環(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(píng)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(wú)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(lái)自脂肪的甘油、脂肪酸和來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)，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(guò)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(guò)產(chǎn)物的反饋抑制來(lái)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�？傊�，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(kāi)始生成具有重要生理功能的NADPH和5-磷酸核糖。全過(guò)程中無(wú)ATP生成，因此此過(guò)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(guò)程

磷酸戊糖途徑在細(xì)胞液中進(jìn)行，全過(guò)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(guò)磷酸戊糖通路的氧化階段不可逆反應(yīng)過(guò)程生成，也可經(jīng)非氧化階段的可逆反應(yīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)肝臟生化章)，同時(shí)又是合成粘多糖的原料(見(jiàn)結(jié)締組織章)。此代謝過(guò)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(guò)轉(zhuǎn)變過(guò)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(guò)上述反應(yīng)果糖可轉(zhuǎn)變?yōu)樘墙徒膺^(guò)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(guò)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(lái)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。