自养生物
分解代谢
糖代谢包括 异养生物
自养生物
合成代谢
异养生物
能量转换（能源)
糖代谢的生物学功能
物质转换（碳源)
可转化成多种中间产物，这些中间产物可进一步转化成氨基酸、脂肪酸、核苷酸。
糖的磷酸衍生物可以构成多种重要的生物活性物质：NAD、FAD、DNA、RNA、ATP。
分解代谢：酵解（共同途径)、三羧酸循环（最后氧化途径)、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等。
合成代谢：糖异生、糖原合成、结构多糖合成以及光合作用。
分解代谢和合成代谢，受神经、激素、别构物调节控制。
第一节 糖酵解 glycolysis
一、 酵解与发酵
1、 酵解 glycolysis （在细胞质中进行)
酵解酶系统将Glc降解成丙酮酸，并生成ATP的过程。它是动物、植物、微生物细胞中Glc分解产生能量的共同代谢途径。
在好氧有机体中，丙酮酸进入线粒体，经三羧酸循环被彻底氧化成CO2和H2O，产生的NADH经呼吸链氧化而产生ATP和水，所以酵解是三羧酸循环和氧化磷酸化的前奏。
若供氧不足，NADH把丙酮酸还原成乳酸（乳酸发酵)。
2、 发酵fermentation
厌氧有机体（酵母和其它微生物)把酵解产生的NADH上的氢，传递给丙酮酸，生成乳酸，则称乳酸发酵。
若NAPH中的氢传递给丙酮酸脱羧生成的乙醛，生成乙醇，此过程是酒精发酵。
有些动物细胞即使在有O2时，也会产生乳酸，如成熟的红细胞（不含线粒体)、视网膜。
二、 糖酵解过程（EMP)
Embden-Meyerhof Pathway ，1940
在细胞质中进行
1、 反应步骤
P79 图 13-1 酵解途径，三个不可逆步骤是调节位点。
（1)、 葡萄糖磷酸化形成G-6-P
反应式
此反应基本不可逆，调节位点。△G0= - 4.0Kcal/mol使Glc活化，并以G-6-P形式将Glc限制在细胞内。
催化此反应的激酶有，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)转移到底物上的酶称激酶，一般需要Mg2+或Mn2+作为辅因子，底物诱导的裂缝关闭现象似乎是激酶的共同特征。
P 80 图13-2己糖激酶与底物结合时的构象变化
已糖激酶：专一性不强，可催化Glc、Fru、Man（甘露糖)磷酸化。己糖激酶是酵解途径中第一个调节酶，被产物G-6-P强烈地别构抑制。
葡萄糖激酶：对Glc有专一活性，存在于肝脏中，不被G-6-P抑制。Glc激酶是一个诱导酶，由胰岛素促使合成，
肌肉细胞中已糖激酶对Glc的Km为0.1mmol/L，而肝中Glc激酶对Glc的Km为10mmol/L，因此，平时细胞内Glc浓度为5mmol/L时，已糖激酶催化的酶促反应已经达最大速度，而肝中Glc激酶并不活跃。进食后，肝中Glc浓度增高，此时Glc激酶将Glc转化成G-6-P，进一步转化成糖元，贮存于肝细胞中。
（2)、 G-6-P异构化为F-6-P
反应式：
由于此反应的标准自由能变化很小，反应可逆，反应方向由底物与产物的含量水平控制。
此反应由磷酸Glc异构酶催化，将葡萄糖的羰基C由C1移至C2 ，为C1位磷酸化作准备，同时保证C2上有羰基存在，这对分子的β断裂，形成三碳物是必需的。
（3)、 F-6-P磷酸化，生成F-1.6-P
反应式：
此反应在体内不可逆，调节位点，由磷酸果糖激酶催化。
磷酸果糖激酶既是酵解途径的限速酶，又是酵解途径的第二个调节酶
（4)、 F-1.6-P裂解成3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮（DHAP)
反应式：
该反应在热力学上不利，但是，由于具有非常大的△G0负值的F-1.6-2P的形成及后续甘油醛-3-磷酸氧化的放能性质，促使反应正向进行。同时在生理环境中，3-磷酸甘油醛不断转化成丙酮酸，驱动反应向右进行。
该反应由醛缩酶催化，反应机理
P 83
（5)、 磷酸二羟丙酮（DHAP)异构化成3-磷酸甘油醛
反应式：（注意碳原子编号的变化)
由磷酸丙糖异构酶催化。
已糖转化成3-磷酸甘油醛后，C原子编号变化：F-1.6-P的C1-P、C6-P都变成了3-磷酸甘油醛的C3-P
图解：
（6)、 3-磷酸甘油醛氧化成1.3—二磷酸甘油酸
反应式：
由磷酸甘油醛脱氢酶催化。
此反应既是氧化反应，又是磷酸化反应，氧化反应的能量驱动磷酸化反应的进行。
反应机理：
P84 图 13-4 3-磷酸甘油醛脱氢酶的催化机理
碘乙酸可与酶的-SH结合，抑制此酶活性，砷酸能与磷酸底物竞争，使氧化作用与磷酸化作用解偶连（生成3-磷酸甘油酸)
（7)、 1．3—二磷酸甘油酸转化成3—磷酸甘油酸和ATP
反应式：
由磷酸甘油酸激酶催化。
这是酵解过程中的第一次底物水平磷酸化反应，也是酵解过程中第一次产生ATP的反应。
一分子Glc产生二分子三碳糖，共产生2ATP。这样可抵消Glc在两次磷酸化时消耗的2ATP。
（8)、 3—磷酸甘油酸转化成2—磷酸甘油酸
反应式：
磷酸甘油酸变位酶催化，磷酰基从C3移至C2。
（9)、 2—磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸
反应式：
烯醇化酶
2—磷酸甘油酸中磷脂键是一个低能键（△G= -17.6Kj /mol)而磷酸烯醇式丙酮酸中的磷酰烯醇键是高能键（△G= -62.1Kj /mol)，因此，这一步反应显著提高了磷酰基的转移势能。
（10)、 磷酸烯醇式丙酮酸生成ATP和丙酮酸。
反应式：
不可逆，调节位点。
由丙酮酸激酶催化，丙酮酸激酶是酵解途径的第三个调节酶，
这是酵解途径中的第二次底物水平磷酸化反应，磷酸烯醇式丙酮酸将磷酰基转移给ADP，生成ATP和丙酮酸
EMP总反应式：
1葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+ → 2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O
2、 糖酵解的能量变化
P87 图 13-5 糖酵解途径中ATP的生成
无氧情况下：净产生2ATP（2分子NADH将2分子丙酮酸还原成乳酸)。
有氧条件下：NADH可通过呼吸链间接地被氧化，生成更多的ATP。
1分子NADH→3ATP
1分子FAD →2ATP
因此，净产生8ATP（酵解2ATP，2分子NADH进入呼吸氧化，共生成6ATP)。
但在肌肉系统组织和神经系统组织：一个Glc酵解，净产生6ATP（２+２*２)。
★甘油磷酸穿梭：
2分子NADH进入线粒体，经甘油磷酸穿梭系统，胞质中磷酸二羟丙酮被还原成3—磷酸甘油，进入线粒体重新氧化成磷酸二羟丙酮，但在线粒体中的3—磷酸甘油脱氢酶的辅基是FAD，因此只产生4分子ATP。
①：胞液中磷酸甘油脱氢酶。
②：线粒体磷酸甘油脱氢酶。
《罗纪盛》P 259 P 260。
★苹果酸穿梭机制：
胞液中的NADH可经苹果酸脱氢酶催化，使草酰乙酸还原成苹果酸，再通过苹果酸—2—酮戊二酸载休转运，进入线粒体内，由线粒体内的苹果酸脱氢酶催化，生成NADH和草酰乙酸。
而草酰乙酸经天冬氨酸转氨酶作用，消耗Glu而形成Asp。Asp经线粒体上的载体转运回胞液。在胞液中，Asp经胞液中的Asp转氨酶作用，再产生草酰乙酸。
经苹果酸穿梭，胞液中NADH进入呼吸链氧化，产生3个ATP。
图
苹果酸脱氢酶（胞液)
α—酮戊二酸转位酶
苹果酸脱氢酶（线粒体基质)
谷—草转氨酶
Glu—Asp转位酶
谷—草转氨酶
草酰乙酸：
苹果酸：
α—酮戊二酸：
3、 糖酵解中酶的反应类型
P88 表13-1 糖酵解反应
氧化还原酶（1种)：3—磷酸甘油醛脱氢酶
转移酶（4种)：己糖激酶、磷酸果糖激酶、磷酸甘油酸激酶、丙酮酸激酶
裂合酶（1种)：醛缩酶
异构酶（4种)：磷酸Glc异构酶、磷酸丙糖异构酶、磷酸甘油酸变位酶、烯醇化酶
三、 糖酵解的调节
参阅 P120 糖酵解的调节
糖酵解过程有三步不可逆反应，分别由三个调节酶（别构酶)催化，调节主要就发生在三个部位。
1、 已糖激酶调节
别构抑制剂（负效应调节物)：G—6—P和ATP
别构激活剂（正效应调节物)：ADP
2、 磷酸果糖激酶调节（关键限速步骤)
抑制剂：ATP、柠檬酸、脂肪酸和H+
激活剂：AMP、F—2.6—2P
ATP：细胞内含有丰富的ATP时，此酶几乎无活性。
柠檬酸：高含量的柠檬酸是碳骨架过剩的信号。
H+：可防止肌肉中形成过量乳酸而使血液酸中毒。
3、 丙酮酸激酶调节
抑制剂：乙酰CoA、长链脂肪酸、Ala、ATP
激活剂：F-1.6-P、
四、 丙酮酸的去路
1、 进入三羧酸循环
2、 乳酸的生成
在厌氧酵解时（乳酸菌、剧烈运动的肌肉)，丙酮酸接受了3—磷酸甘油醛脱氢酶生成的NADH上的氢，在乳酸脱氢酶催化下，生成乳酸。
总反应： Glc + 2ADP + 2Pi → 2乳酸 + 2ATP + 2H2O
动物体内的乳酸循环 Cori 循环：
图
肌肉收缩，糖酵解产生乳酸。乳酸透过细胞膜进入血液，在肝脏中异生为Glc，解除乳酸积累引起的中毒。
Cori循环是一个耗能过程：2分子乳酸生成1分子Glc，消耗6个ATP。
3、 乙醇的生成
酵母或其它微生物中，经糖酵解产生的丙酮酸，可以经丙酮酸脱羧酶催化，脱羧生成乙醛，在醇脱氢酶催化下，乙醛被NADH还原成乙醇。
总反应：Glc+2pi+2ADP+2H+→2乙醇+2CO2+2ATP+2H20
在厌氧条件下能产生乙醇的微生物，如果有氧存在时，则会通过乙醛的氧化生成乙酸，制醋。
4、 丙酮酸进行糖异生
五、 其它单糖进入糖酵解途径
除葡萄糖外，其它单糖也可进行酵解
P 91 图 13-6 各种单糖进入糖酵解的途径
1．糖原降解产物G—1—P
2．D—果糖 有两个途径
3．D—半乳糖
4．D—甘露糖
第二节 三羧酸循环
葡萄糖的有氧氧化包括四个阶段。
①糖酵解产生丙酮酸（2丙酮酸、 2ATP、2NADH)
②丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA
③三羧酸循环（CO2、H2O、ATP、NADH)
④呼吸链氧化磷酸化（NADH-----ATP)
三羧酸循环：乙酰CoA经一系列的氧化、脱羧，最终生成CO2、H2O、并释放能量的过程，又称柠檬酸循环、Krebs循环。
原核生物：①~④阶段在胞质中
真核生物：①在胞质中，②~④在线粒体中
一、 丙酮酸脱羧生成乙酰CoA
1、 反应式：
此反应在真核细胞的线粒体基质中进行，这是连接糖酵解与TCA的中心环节。
2、 丙酮酸脱氢酶系
丙酮酸脱氢酶系是一个十分庞大的多酶体系，位于线粒体膜上，电镜下可见。
E.coli丙酮酸脱氢酶复合体：
分子量：4.5×106，直径45nm，比核糖体稍大。
酶 辅酶 每个复合物亚基数
丙酮酸脱羧酶（E1) TPP 24
二氢硫辛酸转乙酰酶（E2) 硫辛酸 24
二氢硫辛酸脱氢酶（E3) FAD、NAD+ 12
此外，还需要CoA、Mg2+作为辅因子
这些肽链以非共价键结合在一起，在碱性条件下，复合体可以解离成相应的亚单位，在中性时又可以重组为复合体。所有丙酮酸氧化脱羧的中间物均紧密结合在复合体上，活性中间物可以从一个酶活性位置转到另一个酶活性位置，因此，多酶复合体有利于高效催化反应及调节酶在反应中的活性。
3、 反应步骤
P 93 反应过程
（1)丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP
（2)二氢硫辛酸乙酰转移酶（E2)使羟乙基氧化成乙酰基
（3)E2将乙酰基转给CoA，生成乙酰-CoA
（4)E3氧化E2上的还原型二氢硫辛酸
（5)E3还原NAD+生成NADH
4、 丙酮酸脱氢酶系的活性调节
从丙酮酸到乙酰CoA是代谢途径的分支点，此反应体系受到严密的调节控制，此酶系受两种机制调节。
（1)可逆磷酸化的共价调节
丙酮酸脱氢酶激酶（EA)（可被ATP激活)
丙酮酸脱氢酶磷酸酶（EB)
磷酸化的丙酮酸脱氢酶（无活性)
去磷酸化的丙酮酸脱氢酶（有活性)
（2)别构调节
ATP、CoA、NADH是别构抑制剂
ATP抑制E1
CoA抑制E2
NADH抑制E3
5、 能量
1分子丙酮酸生成1分子乙酰CoA，产生1分子NADH（3ATP)。二、 三羧酸循环（TCA)的过程
TCA循环：每轮循环有2个C原子以乙酰CoA形式进入，有2个C原子完全氧化成CO2放出，分别发生4次氧化脱氢，共释放12ATP。
1、 反应步骤
P95 图13-9 概述三羧酸循环
（1)、 乙酰CoA+草酰乙酸→柠檬酸
反应式：
柠檬酸合酶，TCA中第一个调节酶：受ATP、NADH、琥珀酰CoA、和长链脂肪酰CoA的抑制；受乙酰CoA、草酸乙酸激活。
柠檬酸合酶上的两个His残基起重要作用：
一个与草酰乙酸羰基氧原子作用，使其易受攻击；另一个促进乙酰CoA的甲基碳上的质子离开，形成烯醇离子，就可与草酰乙酸缩合成C-C键，生成柠檬酰CoA，后者使酶构象变化，使活性中心增加一个Asp残基，捕获水分子，以水解硫酯键，然后CoA和柠檬酸相继离开酶。
氟乙酰CoA可与草酰乙酸生成氟柠檬酸，抑制下一步反应的酶，据此，可以合成杀虫剂、灭鼠药。
图
氟乙酸本身无毒，氟柠檬酸是乌头酸酶专一的抑制剂，氟柠檬酸结合到乌头酸酶的活性部位上，并封闭之，使需氧能量代谢受毒害。它存在于某些有毒植物叶子中，是已知最能致死的简单分子之一。LD50 为0.2mg/Kg体重，它比强烈的神经毒物二异丙基氟磷酸的LD50小一个数量级。
（2)、 柠檬酸→异柠檬酸
反应式：
这是一个不对称反应，由顺鸟头酸酶催化
P 101 图13—12 顺乌头酸酶与柠檬酸的不对称结合
顺乌头酸酶只能以两种旋光异构方式中的一种与柠檬酸结合，结果，它催化的第一步脱水反应中的氢全来自草酰乙酸部分，第二步的水合反应中的OH也只加在草酰乙酸部分。这种酶与底物以特殊方式结合（只选择两种顺反异构或旋光异构中的一种结合方式)进行的反应称为不对称反应。结果，TCA第一轮循环释放的CO2全来自草酰乙酸部分，乙酰CoA羰基碳在第二轮循环中释放，甲基碳在第三轮循环中释放50%，以后每循环一轮释放余下的50%。
柠檬酸上的羟基是个叔醇，无法进一步被氧化。因此，柠檬酸需转变成异柠檬酸，将不能被氧化的叔醇，转化成可以被氧化的仲醇。
90%柠檬酸、4%顺乌头酸、6%异柠檬酸组成平衡混合物，但柠檬酸的形成及异柠檬酸的氧化都是放能反应，促使反应正向进行。
（3)、 异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸和NADH
反应式：
这是三羧酸循环中第一次氧化脱羧反应，异柠檬酸脱氢酶，TCA中第二个调节酶：
Mg2+（Mn2+ )、NAD+和ADP可活化此酶，NADH和ATP可抑制此酶活性。
细胞在高能状态：ATP/ADP、NADH/NAD+比值高时，酶活性被抑制。
线粒体内有二种异柠檬酸脱氢酶，一种以NAD+为电子受体，另一种以NADP+为受体。前者只在线粒体中，后者在线粒体和胞质中都有。
（4)、 α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA和NADH
反应式：
α-酮戊二酸脱氢酶系，TCA循环中的第三个调节酶：受NADH、琥珀酰CoA、Ca2+、ATP、GTP抑制
α-酮戊二酸脱氢酶系为多酶复合体，与丙酮酸脱氢酶系相似（先脱羧，后脱氢)
（5)、 琥珀酰CoA生成琥珀酸和GTP
反应式：
琥珀酰CoA合成酶（琥珀酸硫激酶)
这是TCA中唯一的底物水平磷酸化反应，直接生成GTP。
在高等植物和细菌中，硫酯键水解释放出的自由能，可直接合成ATP。
在哺乳动物中，先合成GTP，然后在核苷二磷酸激酶的作用下，GTP转化成ATP。
（6)、 琥珀酸脱氢生成延胡索酸（反丁烯二酸)和FADH
反应式：
琥珀酸脱氢酶是TCA循环中唯一嵌入线粒体内膜的酶。
丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂，可阻断三羧酸循环。
（7)、 延胡索酸水化生成L-苹果酸
反应式：
延胡索酸酶具有立体异构特性，OH只加入延胡索酸双键的一侧，因此只形成L-型苹果酸。
（8)、 L-苹果酸脱氢生成草酰乙酸和NADH
反应式：
