生物氧化第五章糖代谢（二）

掌握

1、糖有氧氧化的反应过程、关键酶

概念：机体利用氧将葡萄糖彻底氧化成H2O和CO2的反应过程，是体内糖分解供能的主要方式。

反应部位：细胞质、线粒体

反应过程：糖的有氧氧化分三个阶段。

第一阶段葡萄糖在细胞质中经糖酵解生成丙酮酸；

第二阶段丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA；

第三阶段乙酰CoA进入三羧酸循环，并偶联进行氧化磷酸化。

1）葡萄糖在细胞质中经糖酵解生成丙酮酸。

同糖无氧氧化的第一阶段。

2）丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA。

关键酶是丙酮酸脱氢酶复合体，其组成是丙酮酸脱氢酶（E1）、二氢硫辛酰胺转乙酰酶（E2、核心）、二氢硫辛酰胺脱氢酶（E3）。

辅因子有CoA、焦磷酸硫胺素（TPP）、硫辛酸、FAD、NACD+。

赴美（CoA）交流（TPP）留心（硫辛酸）法国（FAD）的尼龙绳（NAD+）

整个反应过程，中间产物不离开酶复合体，使得反应迅速完成且无副反应。反应不可逆。

3）乙酰CoA进入三羧酸循环，并偶联进行氧化磷酸化。

一轮循环发生2次脱羧反应，释放2分子CO2；发生一次底物水平磷酸化，生成1分子GTP（或ATP）；4次脱氢反应，氢的接受体分别为NAD+和FAD，生成3分子NADH+H+和1分子FADH2，它们既是三羧酸循环中脱氢酶的辅因子，又是电子传递链的第一个环节。

电子传递链的功能是将H+和电子依次传递至氧，生成水，同时逐步释放能量伴有ADP磷酸化生成ATP。

 

2、三羧酸循环TCA的过程及生理意义；有氧氧化生成的ATP

三羧酸循环（柠檬酸循环）是由线粒体内一系列酶促反应构成的循环反应系统。亦称为Krebs循环，整个过程不可逆。

反应过程：8步  

乙酰CoA（主要来自于三大营养物质的分解代谢）主要涉及4次脱氢、2次脱羧、1次底物水平磷酸化。

1）乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸。

反应不可逆，是三羧酸循环中的第一个限速步骤，关键酶是柠檬酸合酶。缩合反应所需的能量来自于乙酰CoA的高能硫酯键。

草酰乙酸主要来自于丙酮酸的直接羧化，也可通过苹果酸脱氢产生（根本来源是葡萄糖），还有柠檬酸裂解、天冬氨酸转化。

Ø  柠檬酸合酶对草酰乙酸的Km很低，即亲和力很高。

2）柠檬酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸。

将C3上的羟基转移至C2。

3）异柠檬酸氧化脱羧转变为α-酮戊二酸。

异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶（关键酶）作用下，氧化脱羧产生CO2，脱下的氢由NAD+接受，生成NADH+H+，其余碳骨架转变成α-酮戊二酸。是三羧酸循环中的第一次氧化脱羧反应，也是第二个限速步骤，反应不可逆。

4）α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA。

α-酮戊二酸在α-酮戊二酸脱氢酶复合体（关键酶）催化下，氧化脱羧产生CO2，脱下的氢由NAD+接受，生成NADH+H+，其余碳骨架转变为琥珀酰CoA（含有高能硫酯键）。是三羧酸循环中的第二次氧化脱羧反应，也是第三个限速步骤，反应不可逆。

α-酮戊二酸脱氢酶复合体的组成及催化过程与丙酮酸脱氢酶复合体类似，使得反应迅速进行。

5）琥珀酰CoA合成酶催化底物水平磷酸化反应生成琥珀酸。

琥珀酰CoA在琥珀酰CoA合成酶的催化下，水解生成琥珀酸，同时其高能硫酯键偶联核苷二磷酸，生成高能磷酸键，反应可逆。是三羧酸循环中唯一的底物水平磷酸化（唯一直接生成高能磷酸键的反应）。

Ø  琥珀酰CoA合成酶有两种同工酶，分别以GDP或ADP为辅因子，生成GTP或ATP。

6）琥珀酸脱氢生成延胡索酸。

琥珀酸脱氢酶位于线粒体内膜，是三羧酸循环中唯一与内膜结合的酶，辅因子是FAD，生成FADH2，生成1.5分子ATP。

7）延胡索酸加水生成苹果酸。

丙二酸可抑制该反应。

8）苹果酸脱氢生成草酰乙酸。

由苹果酸脱氢酶催化。脱下的氢由NAD+接受，生成NADH+H+。

反应可逆，但细胞内的草酰乙酸不断被消耗，故反应不断向着生成草酰乙酸的方向进行。

总结：整个循环反应为不可逆反应。

经过一次柠檬酸循环，

消耗一分子乙酰CoA；

经4次脱氢，2次脱羧，1次底物水平磷酸化；

生成1分子FADH2，3分子NADH+H+，2分子CO2（体内CO2的主要来源）， 1分子GTP/ATP；

关键酶：柠檬酸合酶，α-酮戊二酸脱氢酶复合体，异柠檬酸脱氢酶。

Ø  一次三羧酸循环只进行1次底物水平磷酸化，产生1分子ATP/GTP，故不是线粒体内的主要产能方式。

Ø  脱羧生成的2分子CO2的C并非是乙酰CoA直接氧化，而是来自草酰乙酸，因此每进行一轮三羧酸循环，最后再生的草酰乙酸的碳架就被更新一半，但含量并未改变。

Ø  三羧酸循环的各种中间产物本身并无量的变化。故不可能通过三羧酸循环由乙酰CoA生成草酰乙酸或其他中间产物。这些中间产物也不可能直接氧化为CO2和水。

Ø  草酰乙酸必须不断被更新补充。

TCA的生理意义：柠檬酸循环在三大营养物质代谢中占核心地位。

柠檬酸循环是三大营养物质分解产能的共同通路。

柠檬酸循环是糖、脂肪、氨基酸代谢联系的枢纽：柠檬酸发挥重要的枢纽作用。由于乙酰CoA不能通过线粒体内膜，故其先和草酰乙酸缩合成柠檬酸，在通过载体至细胞质，在柠檬酸裂解酶作用下裂解释放出乙酰CoA和草酰乙酸，乙酰CoA可作为脂肪酸合成及胆固醇合成的原料。绝大多数氨基酸也可转变成糖。

有氧氧化生成的ATP：糖有氧氧化是糖分解供能的主要方式。1mol葡萄糖彻底氧化净生成30或32molATP。

每分子NADH的氢传递给氧，可生成2.5分子ATP；

每分子FADH2的氢传递给氧，可生成1.5分子ATP。

1）1分子乙酰CoA经三羧酸循环彻底氧化可产生10分子ATP，3分子NADH产生7.5分子ATP，1分子FADH2产生1.5分子ATP，还有依次底物水平磷酸化产生1分子ATP，共10分子ATP。若从丙酮酸脱氢开始（生成1分子NADH），则产生12.5分子ATP。

2）注意！氧供充足时，3-磷酸甘油醛脱氢时产生的NADH也要转移至线粒体。将NADH转运至线粒体机制有两种，分别产生2.5分子ATP（苹果酸天冬氨酸穿梭）、1.5分子ATP（3-磷酸甘油穿梭）。

3）计算1mol葡萄糖净生成多少ATP？

2+2×12.5+2×2.5=32

2+2×12.5+2×1.5=30

分析：糖酵解阶段净生成2molATP。1mol葡萄糖经糖酵解产生2mol丙酮酸，由前叙述可致产生2×12.5molATP。糖酵解时，2mol 3-磷酸甘油醛脱氢还产生2molNADH，其在细胞质内，转移至线粒体有两种途径分别产生1.5/2.5molATP，故产生2×1.5molATP或2×2.5molATP。

3、糖有氧氧化的调节（主要受能量供需平衡调节）

写在前面

有氧氧化调节的特点：

①调节关键酶。

②ATP/ADP、ATP/AMP比值全程调节，比值增大，所有关键酶活性均降低。

③氧化磷酸化影响三羧酸循环，二者同步。前者速率降低，则后者速率也减慢。

④糖酵解和三羧酸循环相互调节。柠檬酸循环需要多少乙酰CoA，则酵解途径相应产生多少丙酮酸以生成乙酰CoA。

糖酵解阶段关键酶的调节无氧氧化部分已有叙述。

1）丙酮酸脱氢酶复合体调节乙酰CoA的生成速率。

别构调节：

别构激活剂：ADP、AMP、NAD+

别构抑制剂：ATP、NADH、乙酰CoA

ATP/ADP比值增大，抑制，见于能量过剩；减小，促进，见于能量缺乏。

乙酰CoA/CoA比值升高、NADH/NAD+比值升高，酶活性被抑制。

Ø  丙酮酸脱氢酶复合体发生别构抑制见于餐后糖分解过盛、饥饿状态大量脂肪酸氧化。

化学修饰：

丙酮酸脱氢酶激酶——酶磷酸化而失活。

丙酮酸脱氢酶磷酸酶——磷酸化的酶去磷酸化而恢复活性。

除直接别构抑制外，乙酰CoA、NADH也可间接通过增强丙酮酸脱氢酶激酶活性使酶失活。

2）三羧酸循环的关键酶调节乙酰CoA的氧化速率。

①底物的别构激活

②产物的别构抑制

③能量状态

④Ca2+的激活作用

后续反应中间产物别位反馈抑制前面反应中的酶

Ø  糖分解产能过多时，柠檬酸可通过柠檬酸-丙酮酸循环转移至细胞质，裂解释放乙酰CoA作为合成原料，同时柠檬酸通过激活脂肪酸合成所需的关键酶，促进脂质合成。故柠檬酸是协同糖代谢和脂质代谢的枢纽物质。

3）糖有氧氧化的各个阶段相互协调。

代谢物别构调节：在正常情况下，糖酵解途径和柠檬酸循环的代谢速度是相协调的。由同一别构剂对多种关键酶的调节实现。

①柠檬酸：在线粒体内抑制柠檬酸合酶，在细胞质内抑制磷酸果糖激酶-1。

②NADH：线粒体内的NADH抑制丙酮酸脱氢酶复合体，还抑制柠檬酸合酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体。下游氧化磷酸化的代谢速度减慢，NADH堆积，进而抑制上游丙酮酸的氧化分解。

能量状态：ATP/AMP对有氧氧化的调节作用更明显。

 

4、巴斯德效应：有氧氧化抑制无氧氧化的现象。

细胞质中糖酵解产生NADH的去路决定酵解产物丙酮酸的代谢去向。

瓦伯格效应：增值活跃的组织（如肿瘤）即使在有氧时，葡萄糖也不被彻底氧化，而是被分解成乳酸。

意义：避免将葡萄糖全部分解成CO2。从而为肿瘤快速生长积累大量生物合成原料。

 

5、磷酸戊糖途径的生理意义及过程

磷酸戊糖途径：从糖酵解的中间产物葡糖-6-磷酸开始形成旁路，通过氧化、基团转移两个阶段生成果糖-6-磷酸和3-磷酸甘油醛，从而返回糖酵解的代谢途径，亦称磷酸戊糖旁路。

Ø  脂质合成旺盛的组织（肝、脂肪组织、脯乳期乳腺）、增值活跃的组织（骨髓、肿瘤）、红细胞磷酸戊糖途径活跃。

过程：

要点：

关键酶是葡糖-6-磷酸脱氢酶。

两次脱氢脱下的氢均由NADP+接受生成2分子NADPH + H+。

反应生成1分子磷酸核糖，释放1分子CO2。

（二）第二阶段是一系列基团转移反应

这一阶段非常重要，因为细胞对NADPH的消耗量远大于磷酸戊糖，多余的戊糖需要通过此反应返回糖酵解的代谢途径再次利用，5-磷酸核糖最终转变为果糖-6-磷酸和3-磷酸甘油醛。

该阶段还提供3C、4C、5C、6C、7C中间产物，这些碳骨架是体内生物合成所需要的碳源。

部位：细胞质

调节：磷酸戊糖途径主要受NADPH/NADP+比值的调节。

葡糖-6-磷酸脱氢酶为磷酸戊糖途径的关键酶，酶活性主要受NADPH/NADP+比值的影响，比值升高则被抑制，降低则被激活。另外NADPH对该酶有强烈抑制作用。故磷酸戊糖途径的流量取决于NADPH的需求。

生理意义：磷酸戊糖途径不能产生ATP，其主要意义是生成NADPH和磷酸核糖。

1）为核酸的生物合成提供核糖。

体内核糖来自磷酸戊糖途径合成。可由G-6-P氧化脱羧生成，也可由基团转移阶段3-磷酸甘油醛和F-6-P生成。人体主要通过前者，但肌组织缺乏葡糖-6-磷酸脱氢酶通过后者。

2）提供NADPH作为供氢体参与多种代谢反应。

①NADPH是许多合成代谢的供氢体。

②NADPH参与体内羟化反应。

③NADPH可维持谷胱甘肽(GSH)的还原状态。

还原型谷胱甘肽是体内重要的抗氧化剂，可以保护一些含-SH基的蛋白质或酶免受氧化剂。更重要的是GSH可以保护红细胞膜蛋白的完整性。

葡糖-6-磷酸脱氢酶缺陷者，其红细胞不能经磷酸戊糖途径获得足够的NADPH，不足以使谷胱甘肽保持还原状态，因而表现为红细胞易于破裂，发生溶血性黄疸。这种溶血现象常发生在食用蚕豆（强氧化剂），故称蚕豆病。