代谢生物化学【3】

第四章    生物大分子的消化与吸收

第一节  碳水化合物的消化和吸收

1.大多数动物肠道内缺少水解β-1，4-糖苷键的酶（无法消化纤维素之类的），水解淀粉主要依靠α-糖苷酶

2.单糖的转运和吸收

受载体蛋白即转运蛋白的介导具有底物的特异性和立体特异性

遵循饱和动力学，并受到特定抑制剂的水解（比如说细胞松弛素类的物质）

第二节  脂质的消化和吸收

脂肪的有效水解除了脂肪酶以外，还需要去垢剂（使脂质分离）胆汁酸和共脂肪酶

第三节  蛋白质和核酸的水解

1.蛋白质的酶促水解：开始于胃，由胃蛋白酶催化。在小肠内被胰腺所分泌的蛋白酶消化水解成寡肽。再在小肠的刷状缘上被各种肽酶水解成更小的肽或氨基酸。胃蛋白酶只作用于有羟基的氨基酸

2.氨基酸、二肽和三肽的吸收：氨基酸被吸收的机制与单糖的吸收机制相同，二肽和三肽的吸收不需要钠离子

3.核酸的消化和吸收：食物中的核酸被消化道被腺所分泌的核糖核酸酶和脱氧核糖核酸酶水解成核苷酸。再被水解成核苷和磷酸基团（核苷酸带负电荷，很难被吸收），吸收过程为主动运输

第五章    糖酵解

第一节  糖酵解的发现

第二节  糖酵解的全部过程

总共有两个反应阶段：（1）引发阶段：一分子葡萄糖经过1，6-二磷酸果糖转变成两分子3-磷酸甘油醛，共消耗两分子的ATP

（2）产能阶段：两分子3-磷酸甘油醛最终转变成两分子的丙酮酸，同时产生4分子的ATP和2分子的NADH

1.葡萄糖的磷酸化（消耗ATP）（不可逆反应）

由己糖激酶或葡糖激酶，葡萄糖的6号位的羟基接受高能磷酸基团，被磷酸化成6-磷酸葡糖，是不可逆反应，反应还需要镁离子（之后由磷酸果糖激酶、磷酸甘油醛激酶和丙酮酸激酶催化的反应也需要镁离子，详情见结构生物化学）

葡萄糖的磷酸化降低了细胞内的葡萄糖浓度，有利于胞外葡萄糖通过葡萄糖转运酶（GLUT）进入细胞之中；葡萄糖由此带上了负电荷，极性增强，很难从细胞中出去；葡萄糖能量状态提高，由此变得不稳定

2.6-磷酸葡糖的异构化

由磷酸己糖异构酶催化，也需要Mg2+。反应的机制涉及不稳定的烯二醇中间体。通过此反应，醛糖转变成了酮糖，羰基由一号位转到了二号位

3.磷酸果糖的再次磷酸化（消耗ATP）（不可逆反应）

是细胞中进一步消耗ATP的磷酸化反应，为不可逆反应，也是重要的限速步骤（通过对酶活性的调节）。参与的酶是磷酸果糖激酶-1（PFK-1），产物为1，6-二磷酸果糖

P.S.磷酸果糖激酶2（PFK-2）也是以果糖作为底物的，但反应产物是2，6-二磷酸果糖）

在植物、细菌和真菌之中，还有一种依赖于焦磷酸的磷酸果糖激酶，在某些古菌中还有依赖于ADP的磷酸果糖激酶

4.1，6-二磷酸果糖的裂解

此反应是可逆反应，参与的酶是醛缩酶。一分子的六碳糖裂解成一分子的磷酸二羟丙酮（DHAP）和一分子3-磷酸甘油醛

5.磷酸丙糖的异构化

是可逆的酮糖和醛糖互变的反应，催化酶是磷酸丙糖异构酶（TIM），反应机制和第二步相似，其活性中心谷氨酸残基作为广义的碱行使催化

此反应将DHAP转变成3-磷酸甘油醛，进入下一步反应

6.磷酸甘油醛的氧化和磷酸化（生成NADH）

是糖酵解中唯一一步氧化还原反应，反应底物是无机磷酸集团和3-磷酸甘油醛，催化反应的酶是3-磷酸甘油醛脱氢酶（GAPDH），NAD+是其辅酶，产物为1，3-二磷酸甘油酸（1，3-BPG）和NADH/H+。反应中醛基变成了羧基，释放出来的能量储存在高能磷酸键之中，还有一部分储存在NADH的高能电子中

3-磷酸甘油醛脱氢酶的活性中心其主要的作用的是巯基（亲核进攻底物，形成共价的半缩硫醛），任何破坏巯基的试剂（如碘代乙酸或有机汞，即氧化剂）都是此酶的抑制剂。3-磷酸甘油醛脱氢酶由四个亚基组成，四个亚基之间是负协同效应（在低氧浓度下也可以进行正常催化）

在氧化胁迫下，3-磷酸甘油醛脱氢酶会失活，使更多的葡萄糖进入磷酸戊糖途径，产生更多的NADPH（抗氧化辅因子）

7.第一步的底物水平磷酸化（生成ATP）

底物水平的磷酸化反应：先合成一种高能中间物，然后再在一种转移酶的作用下，中间物上的高能键被转移给ADP，合成的ATP这里的高能中间物是1，3-二磷酸甘油酸，酶是磷酸甘油醛激酶，需要镁离子，该反应可逆

由于一分子葡萄糖可以产生两分子的1，3-二磷酸甘油酸，所以该反应可以产生两分子的ATP

8.3-磷酸甘油酸的变位

该反应可逆，由磷酸甘油酸变位酶催化，经过此反应，甘油酸上的磷酸基团由3号位变到2号位

总共有两种变位的机制：酶直接催化磷酸基团在3-磷酸甘油酸分子内部的转移另一种需要少量的2，3-磷酸甘油酸（2，3-BPG）作为辅因子，并需要活性中心的一个组氨酸残基

2，3-BPG由1，3-BPG变位而来，催化反应的是1，3-二磷酸甘油酸变位酶（这个酶是一个双功能酶，详情见后），有着磷酸酶的活性，如果1，3-BPG经过这个路径转变成3-磷酸甘油酸，就会跳过一步底物磷酸化反应

9.2-磷酸甘油酸的烯醇化

由烯醇化酶催化，需要镁离子。烯醇化酶的作用是促进2-磷酸甘油上的某些原子的重排，是能量聚集到某一个化学键上，这导致了高能PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）

氟化物可以与镁离子和磷酸基团之间形成络合物，干扰2-磷酸甘油酸和烯醇化酶的结合，使此酶的活性受到抑制。

10.第二次底物水平磷酸化（合成ATP）（不可逆反应）

由丙酮酸激酶催化，需要镁离子和钾离子，通过此反应磷酸烯醇式丙酮酸中的高能磷酸键转移给ADP

这一步总共能合成2分子的ATP

第三节  NADH和丙酮酸的命运

一、在有氧的状态下NADH和丙酮酸的命运

（一）NADH的命运

在有氧状态下NADH可以将电子交给呼吸链进行传递进而产生更多的ATP（需要通过线粒体内膜上的穿梭系统）

线粒体内膜上含有两种穿梭系统：

1.3-磷酸甘油醛穿梭系统：在细胞质基质的3-磷酸甘油脱氢酶的催化下，糖酵解产生的NADH被氧化为NAD+，磷酸二羟丙酮被还原成3-磷酸甘油。之后，磷酸甘油进入线粒体，被内膜上的3-磷酸甘油脱氢酶重新氧化成磷酸二羟丙酮，脱下的氢和电子交给内膜上的FAD，之后再通过辅酶Q进入呼吸链。最后3-磷酸二羟丙酮重新回到细胞质基质

2.苹果酸-天冬氨酸穿梭系统：在苹果酸脱氢酶的催化下糖酵解产生的NADH将草酰乙酸还原成苹果酸，苹果酸再通过线粒体内膜上的苹果酸转运蛋白进入线粒体基质，再在线粒体基质中的苹果酸脱氢酶的催化下重新转变成草酰乙酸，同时产生NADH，由线粒体内膜上的复合体1进入呼吸链。之后草酰乙酸在谷草转氨酶的催化下从谷氨酸接受氨基，变成天冬氨酸，经过天冬氨酸转运蛋白被运出线粒体基质。最后在细胞质基质中的谷草转氨酶的催化下将氨基返还给α-酮戊二酸（α-酮戊二酸变成谷氨酸），重新生成草酰乙酸

（二）丙酮酸的命运

通过线粒体内膜上的丙酮酸转运蛋白，与质子一起进入线粒体基质，被基质内的丙酮酸脱氢酶系氧化成乙酰辅酶A（乙酰-CoA）

1.丙酮酸脱氢酶系的结构和组成

由丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸转乙酰酶和组成

（1）丙酮酸的氧化脱羧：由丙酮酸脱氢酶进行催化，需要硫胺素焦磷酸（TTP，作为碳负离子去亲核进攻丙酮酸的羰基碳，诱发脱羧基反应）参与反应。形成乙酰TTP

（2）碳单位的转移和吸收：由二氢硫辛酸转乙酰酶催化，硫辛酸作为辅基（与二氢硫辛酸转乙酰酶以酰胺键相连接，氧化型两个硫原子以二硫键相连，还原型还原成巯基），氧化型硫辛酰胺二硫键被还原，TTP上的羟乙基被氧化成乙酰基，被转移到硫辛酰胺的硫原子上形成高能的硫脂键，同时TPP得以再生

（3）碳单位的再次转移：仍然由进行催化，但需要CoA的参与。乙酰基从硫辛酰胺上的硫原子转移到CoA分子的巯基上，产生高能分子乙酰-CoA。原来氧化型的硫辛酰胺变成了还原型

（4）氧化型硫原子的再生：需要FAD和NAD+作为辅因子，当还原型硫辛酰胺进入二氢硫辛酸脱氢酶时被FAD氧化，FAD变为FADH后又被NAD+还原

氧化型硫辛酰胺的还原十分重要，砒霜的主要成分是三氧化二砷（亚砷酸），亚砷酸可以和还原型硫辛酰胺形成共价化合物，从而阻止氧化型的再生

二、在缺氧或无氧的情况下NADH和丙酮酸的命运

为了保证氧化型辅酶Ⅰ（NAD+）的再生

（一）乳酸发酵

（二）乙醇发酵;在依赖于TPP的丙酮酸脱羧酶的催化下，丙酮酸变成乙醛，然后乙醛在乙醇脱氢酶的催化下，被还原成乙醇

第四节  其他物质进入糖酵解

一、糖原

其中葡萄糖单位主要经过糖原磷酸化酶α的催化被磷酸化成1-磷酸葡糖，1-磷酸葡糖经磷酸葡糖变位酶的催化，转变成6-磷酸葡糖而进入糖酵解

二、果糖

有两种方式进入糖酵解：在己糖激酶的催化下（主要发生于肌细胞和肾细胞），形成6-磷酸葡糖后即可进入；在果糖激酶的催化下（主要发生于肝细胞），转变成1-磷酸果糖，1-磷酸果糖在1-磷酸果糖醛缩酶的催化下裂解成磷酸二羟丙酮和D-甘油醛。前者在磷酸丙糖异构酶的帮助下转化3-磷酸甘油醛进入糖酵解途径，后者在丙糖激酶的催化下形成3-磷酸甘油醛激酶进入糖酵解途径

三、甘露糖

在己糖激酶的催化下变成6-磷酸甘露糖，随后在磷酸甘露糖异构酶的帮助下异构成6-磷酸果糖进入糖酵解途径

四、甘油

先在甘油激酶的催化下变成3-磷酸甘油，然后在3-磷酸甘油脱氢酶催化下进一步转变成DHAP（磷酸二羟丙酮）,磷酸二羟丙酮在磷酸丙糖异构酶的催化而进入糖酵解

五、半乳糖（Leloir途径）

在半乳糖激酶的催化下半乳糖被磷酸化为1-磷酸半乳糖，之后再在1-磷酸半乳糖尿苷转移酶的催化下，与尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-Glc）反应，形成尿苷二磷酸半乳糖（将参与尿苷二磷酸葡萄糖的再生）和1-磷酸葡糖，1-磷酸葡糖经磷酸葡糖变位酶的催化下，转变为6-磷酸葡糖进入糖酵解

第五节  糖酵解的生理功能

1.产生能量货币ATP

2.为细胞中其他物质的合成提供原料

3.肿瘤和糖酵解

随着肿瘤的生长，其自身的氧气不够消耗，糖酵解成为其能源的主要来源。在细胞处于缺氧状态的情况下，有一种受缺氧诱导的因子被激活，并进入细胞核与DNA上的缺氧应答原件结合，从而诱导参与葡萄糖跨膜运输的葡萄糖转运酶合成，直至新血管的增生完成（受缺氧诱导的因子还有促进血管内生长因子的表达

4.糖酵解过程中的一些酶的兼职功能

磷酸基糖异构酶可兼做为神经白介素和一种自分泌运动因子；3-磷酸甘油醛可以在细胞核中兼做尿嘧啶-DNA糖苷酶（参与DNA的剪基切除和修复）；烯醇化酶在细菌体内作为RNA降解体的一部分，在真核生物中可参与线粒体tRNA的运输；在某些哺乳动物之中还可以作为细胞表面受体结合纤维蛋白酶原和胞外基质（促进正常的细胞迁移）

第六节  糖酵解的调节

一、葡萄糖的可得性

葡萄糖进入细胞的速率受葡萄糖转运蛋白的类型和葡萄糖转运蛋白的数目

大多数细胞摄入葡萄糖的转运蛋白（所有的细胞中都表达）速率恒定，受血糖的影响小；肝细胞和胰岛β细胞还表达一种葡萄糖转运酶，使细胞摄入葡萄糖的速率和血糖浓度成正比；肌细胞和脂肪细胞表达一种葡萄糖转运酶，可以受到胰岛素的调节

二、己糖激酶和葡糖激酶的调节

即6-磷酸葡糖的反馈抑制（己糖激酶）

葡糖激酶调节蛋白调节（受到胰岛素的控制）（葡糖激酶）

三、磷酸果糖激酶1的调节（PFK-1）

是一种别构酶。别构抑制剂：ATP（两个结合位点，亲和力弱的起别构抑制的作用）、柠檬酸（柠檬酸指示着细胞之中其他营养物质的饱和状态，当其他的途径合成大量的ATP时柠檬酸对磷酸果糖激酶进行抑制，且还可以激活乙酰-CoA羧化酶，使多余的能量被脂肪细胞转化成脂肪储存起来）、质子（生成乳酸并转运时，质子会被释放到血液中，如果释放过多，会导致酸中毒。质子的抑制可以防止这种状况）

别构激活剂：AMP/ADP、2，6-二磷酸果糖（2，6-二磷酸果糖会抑制糖酵解的进行，但2，6-磷酸果糖会被2，6-二磷酸果糖磷酸酶（磷酸果糖激酶2）转变成6-磷酸果糖

胰高血糖素通过对磷酸果糖激酶的两种有活性的亚基进行修饰，使其表达出不同的效应，从而对糖酵解的途径进行促进或抑制

四、丙酮酸激酶的调节

一种是别构调节（ATP和丙氨酸作为别构抑制剂，1，6-二磷酸果糖以前馈激活的方式作用于丙酮酸激酶防止中间的代谢物进行不必要的堆积）；一种是发生共价修饰（磷酸化，失活。见于胰高血糖素的信号途径）