【原】【竞赛】细胞学§3.2 糖代谢

第一篇  细胞学

细胞生物学是研究细胞的结构、功能、生活史以及生命活动本质和规律的科学，是生物科学的主要分支之一，也是生命科学和分子生物学研究的基础。本章包括细胞的化学成分，细胞器，细胞代谢，DNA、RNA和蛋白质的生物合成，有丝分裂和减数分裂，细胞工程等部分。

第三章  细胞代谢

第二节   糖代谢

糖是有机体重要的能源和碳源。糖代谢包括糖的合成与糖的分解两方面。糖的最终来源都是植物或光合细菌通过光合作用将CO₂和水同化成葡萄糖。除此之外糖的合成途径还包括糖的异生—非糖物质转化成糖的途径。在植物和动物体内葡萄糖可以进一步合成寡糖和多糖作为储能物质(如蔗糖、淀粉和糖元),或者构成植物或细菌的细胞壁(如纤维素和肽聚糖)。

在生物体内，糖(主要是葡萄糖)的降解是生命活动所需能量(如ATP)的来源。生物体从碳水化合物中获得能量大致分成三个阶段：在第一阶段，大分子糖变成小分子糖，如淀粉、糖元等变成葡萄糖；在第二阶段，葡萄糖通过糖酵解(糖的共同分解途径)降解为丙酮酸，丙酮酸再转变为活化的酰基载体—乙酰辅酶A；在第三阶段，乙酰辅酶A通过三羧酸循环(糖的最后氧化途径)彻底氧化成CO₂，当电子传递给最终的电子受体O₂时生成ATP。这是动物、植物和微生物获得能量以维持生存的共同途径。糖的中间代谢还包括磷酸戊糖途径、乙醛酸途径等。

（一）双糖和多糖的酶促降解

  1、蔗糖、麦芽糖和乳糖的酶促降解

(1)蔗糖的水解  蔗糖的水解主要通过转化酶的作用，转化酶又称蔗糖酶(sucrase)，它广泛存在于植物体内。所有的转化酶都是β-果糖苷酶。其作用如下：

以上反应是不可逆的，因为蔗糖水解时放出大量的热能。

(2)乳糖的水解乳糖的水解由乳糖酶（又称为β-半乳糖苷酶）催化，生成半乳糖和葡萄糖：

(3)麦芽糖的水解  由麦芽糖酶催化1分子麦芽糖水解生成2分子葡萄糖：

2、淀粉(糖元)的酶促降解

淀粉可以通过两种不同的过程降解成葡萄糖。一个过程是水解，动物的消化或植物种子萌发时就是利用这一途径使多糖降解成糊精、麦芽糖、异麦芽糖和葡萄糖。其中的麦芽糖和异麦芽糖又可被麦芽糖酶和异麦芽糖酶降解生成葡萄糖。葡萄糖进入细胞后被磷酸化并经糖酵解作用降解。淀粉的另一个降解途径为磷酸降解过程。

2.l．淀粉的水解  催化淀粉水解的酶称为淀粉酶（amylase）它又可分两种：一种称为α-1,4-葡聚糖水解酶，又称为α-淀粉酶(α-amylase)，是一种内淀粉酶(endoamy-lase)，能以一种无规则的方式水解直链淀粉(amylose)内部的键，生成葡萄糖与麦芽糖的混合物，如果底物是支链淀粉(amylopectin)，则水解产物中含有支链和非支链的寡聚糖类的混合物，其中存在α-l,6键。第二种水解酶称为α-1,4-葡聚糖基-麦芽糖基水解酶，又称为β-淀粉酶，是一种外淀粉酶(exoamylase)，它作用于多糖的非还原性末端而生成麦芽糖，所以当β-淀粉酶作用于直链淀粉时能生成定量的麦芽糖。当底物为分支的支链淀粉或糖元时，则生成的产物为麦芽糖和多分枝糊精，因为此酶仅能作用于α-l,4键而不能作用于α-l,6键。淀粉酶在动物、植物及微生物中均存在。在动物中主要在消化液(唾液及胰液)中存在。

    由于α-淀粉酶和β-淀粉酶只能水解淀粉的α-1,4键，因此只能使支链淀粉水解54％～55％，剩下的分支组成了一个淀粉酶不能作用的糊精，称为极限糊精。

    极限糊精中的α-1,6键可被R酶水解，R酶又称脱支酶，脱支酶仅能分解支链淀粉外围的分支，不能分解支链淀粉内部的分支，只有与β-淀粉酶共同作用才能将支链淀粉完全降解，生成麦芽糖和葡萄糖。麦芽糖被麦芽糖酶水解生成葡萄糖，进一步被植物利用。

    2.2．淀粉的磷酸解

    (l)α-l,4键的降解  淀粉的磷酸解是在淀粉磷酸化酶的催化下，用磷酸代替水，将淀粉降解生成 l-磷酸葡萄糖的作用。

(2)α-l,6支链的降解  α-淀粉酶、β-淀粉酶和淀粉磷酸化酶只能水解淀粉(或糖原)的α-1,4键，不能水解α-1,6键。由图6-3可见，磷酸化酶将一个分支上的5个α-l,4糖苷键和另一个分支上的3个α-l,4糖苷键水解，至末端残基a和d处即停止，此时需要一个转移酶，将一个分支上的3个糖残基(abc)转移到另一个分支上，在糖残基c与d之间形成一个新的α-1,4键，然后在α-l,6糖苷酶的作用下，水解z与 h之间的α-1,6糖苷键，从而将一个具有分支结构的糖原转变成为线型的直链结构，后者可被磷酸化酶继续分解。因此，淀粉(或糖原)降解生成葡萄糖是几种酶相互配合进行催化反应的结果。          

3、细胞壁多糖的酶促降解

3.1．纤维素的降解  纤维素酶可使纤维素分子的β-1,4键发生水解，生成纤维二糖，在纤维二糖酶的作用下，最后分解为β-葡萄糖，反应过程如下：

 纤维素的分解在高等植物体内很少发生，只是在少数发芽的种子及其幼苗(如大麦、菠菜、玉米等)内发现有纤维素酶的分解作用。但在许多微生物体内(如细菌、霉菌)都含有分解纤维素的酶。

    3.2．果胶的降解  果胶酶是植物体中催化果胶物质水解的酶。果胶酶按其所水解的键，可分两种：一种称果胶甲酯酶[(pectinesterase) (PE)]或果胶酶；另一种是半乳糖醛酸酶[(Polygalacturonase) (CPG)]。果胶甲脂酶水解果胶酸的甲酯，生成果胶酸和甲醇：

半乳糖醛酸酶水解聚半乳糖醛酸之间的α-1,4糖苷键，生成半乳糖醛酸。

植物体内一些生理现象与果胶酶的作用有关，如叶柄离层的形成就是果胶酶分解胞间层的果胶质使细胞相互分离以致叶片脱落；果实成熟时，由于果胶酶的作用使果肉细胞分离，果肉变软；植物感病后，病原菌分泌果胶酶将寄主细胞分离而侵入植物体内。

（二）糖酵解

1、糖酵解的概念

糖酵解是葡萄糖在不需氧的条件下分解成丙酮酸，并同时生成ATP的过程。糖酵解途径几乎是具有细胞结构的所有生物所共有的葡萄糖降解的途径，它最初是从研究酵母的酒精发酵发现的，故名糖酵解。整个糖酵解过程是1940年得到阐明的。为纪念在这方面贡献较大的三位生化学家，也称糖酵解过程为Embden-Meyerhof-Parnas途径，简称EMP途径。

2、糖酵解的生化历程

    糖酵解过程是在细胞液(cytosol)中进行的，不论有氧还是无氧条件均能发生。

    糖酵解全部过程从葡萄糖或淀粉开始，分别包括12或13个步骤，为了叙述方便，划分为四个阶段：

（1）．由葡萄糖形成 l,6-二磷酸果糖(反应①～③)

（2）．磷酸丙糖的生成(反应④～⑤)

（3）．3-磷酸甘油醛氧化并转变成2-磷酸甘油酸(反应⑥～⑧)

（4）．由2-磷酸甘油酸生成丙酮酸(反应⑨～⑩)

糖酵解的总反应式为： 

    葡萄糖＋2Pi＋2NAD⁺ ───→ 2丙酮酸＋2ATP＋2NADH＋2H⁺＋2H₂O

由葡萄糖生成丙酮酸的全部反应见表6-1。

    糖酵解中所消耗的 ADP及生成的 ATP数目见表6-2。

3、糖酵解的化学计量与生物学意义

糖酵解是一个放能过程。每分子葡萄糖在糖酵解过程中形成2分子丙酮酸，净得2分子ATP和2分子NADH。在有氧条件下，1分子NADH经呼吸链被氧氧化生成水时，原核细胞可形成3分子ATP，而真核细胞可形成2分子ATP。原核细胞1分子葡萄糖经糖酵解总共可生成8分子ATP。按每摩尔ATP含自由能33.4kJ计算，共释放8×33.4＝267.2kJ，还不到葡萄糖所含自由能2867.5kJ的10％。大部分能量仍保留在2分子丙酮酸中。糖酵解的生物学意义就在于它可在无氧条件下为生物体提供少量的能量以应急。糖酵解的中间产物是许多重要物质合成的原料，如丙酮酸是物质代谢中的重要物质，可根据生物体的需要而进一步向许多方面转化。3-磷酸甘油酸可转变为甘油而用于脂肪的合成。糖酵解在非糖物质转化成糖的过程中也起重要作用，因为糖酵解的大部分反应是可逆的，非糖物质可以逆着糖酵解的途径异生成糖，但必需绕过不可逆反应。

4、丙酮酸的去向

葡萄糖经糖酵解生成丙酮酸是一切有机体及各类细胞所共有的途径，而丙酮酸的继续变化则有多条途径：

（1）丙酮酸彻底氧化 

在有氧条件下，丙酮酸脱羧变成乙酰辅酶A，而进入三羧酸循环，氧化成 CO₂和H₂O。

    在无氧条件下，为了糖酵解的继续进行．就必须将还原型的 NADH再氧化成氧化型的NAD⁺，以保证辅酶的周转，如乳酸发酵、酒精发酵等。

（2）丙酮酸还原生成乳酸 

在乳酸脱氢酶的催化下，丙酮酸被从3-磷酸甘油醛分子上脱下的氢(NADH＋H⁺)还原，生成乳酸，称为乳酸发酵。

某些厌氧乳酸菌或肌肉由于剧烈运动而缺氧时，NAD⁺的再生是由丙酮酸还原成乳酸来完成的，乳酸是乳酸酵解的最终产物。乳酸发酵是乳酸菌的生活方式。

（3）生成乙醇 

在酵母菌或其他微生物中，在丙酮酸脱羧酶的催化下，丙酮酸脱羧变成乙醛，继而在乙醇脱氢酶的作用下，由NADH还原成乙醇。反应如下：

(l)丙酮酸脱羧

(2)乙醛被还原为乙醇

葡萄糖进行乙醇发酵的总反应式为：

葡萄糖 + 2Pi+2ADP →2乙醇+2CO₂ + 2ATP

对高等植物来说，不论是在有氧或者是在无氧的条件下，糖的分解都必须先经过糖酵解阶段形成丙酮酸，然后再分道扬镳。

酵解和发酵可以在无氧或缺氧的条件下供给生物以能量，但糖分解得不完全，停止在二碳或三碳化合物状态，放出极少的能量(38∶2)。所以对绝大多数生物来说，无氧只能是短期的，因为消耗大量的有机物，才能获得少量的能量，但能应急。例如当肌肉强烈运动时，由于氧气不足，NADH即还原丙酮酸，产生乳酸，生成的 NAD⁺继续进行糖酵解的脱氢反应。

（三）三羧酸循环

    在有氧条件下，乙酰辅酶A 的乙酰基通过三羧酸循环被氧化成 CO₂和 H₂O。三羧酸循环不仅是糖有氧代谢的途径，也是机体内一切有机物碳素骨架氧化成CO₂的必经之路。

     1、反应历程。如图6-7所示，现分述如下：

（1）辅酶A与草酰乙酸缩合成柠檬酸。乙酰辅酶A在柠檬酸合成酶催化下与草酰乙酸进行缩合，然后水解成1分子柠檬酸。

（2）柠檬酸脱水生成顺乌头酸，然后加水生成异柠檬酸。

    （3）异柠檬酸氧化与脱羧生成α-酮基戊二酸。

（4）α-酮戊二酸氧化脱羧反应。α-酮戊二酸在α-酮戊二酸脱氢酶复合体作用下脱羧形成琥珀酰辅酶A，此反应与丙酮酸脱羧相似。

（5）琥珀酰辅酶A在琥珀酰-CoA合成酶催化下，转移其高能硫酯键至二磷酸鸟苷(GDP)上生成三磷酸鸟苷(GTP)，同时生成琥珀酸。然后GTP再将高能键能转给ADP，生成1个ATP。

    （6）琥珀酸被氧化成延胡索酸。

（7）延胡索酸加水生成苹果酸。

（8）苹果酸被氧化成草酰乙酸。

丙酮酸氧化的总反应可用下式表示：

图6-7  三羧酸循环

①丙酮酸脱氢酶复合体；②柠檬酸合成酶；③顺乌头酸酶；④、⑤异柠檬酸脱氢酶；⑥α-酮戊二酸脱氢酶复合体；⑦琥珀酰CoA合成酶；⑧琥珀酸脱氢酶；⑨延胡索酸酶；⑩L-苹果酸脱氢酶

2、三羧酸循环中ATP的形成及三羧酸循环的意义

 1分子乙酰辅酶A经三羧酸循环可生成1分子 GTP(可转变成ATP)，共有4次脱氢，生成3分子NADH和1分子 FADH₂。当经呼吸链氧化生成H₂O时，前者每对电子可生成3分子ATP，3对电子共生成9分子ATP；后者则生成2分子ATP。因此，每分子乙酰辅酶A经三羧酸循环可产生12分子ATP。若从丙酮酸开始计算，则1分子丙酮酸可产生15分子ATP。1分子葡萄糖可以产生2分子丙酮酸，因此，原核细胞每分子葡萄糖经糖酵解、三羧酸循环及氧化磷酸化三个阶段共产生8＋2×15＝38个ATP分子。

三羧酸循环生成ATP数见表6-4。

1mol乙酰辅酶A燃烧释放的热量为874.04kJ，12分子ATP水解释放353.63kJ的能量，能量的利用效率为40.5％。由于糖、脂肪及部分氨基酸分解的中间产物为乙酰CoA，可通过三羧酸循环彻底氧化，因此三羧酸循环是生物体内产生 ATP的最主要途径。

在生物界中，动物、植物与微生物都普遍存在着三羧酸循环途径，因此三羧酸循环具有普遍的生物学意义。分述如下：

    ①糖的有氧分解代谢产生的能量最多，是机体利用糖或其他物质氧化而获得能量的最有效方式。

    ②三羧酸循环之所以重要在于它不仅为生命活动提供能量，而且还是联系糖、脂、蛋白质三大物质代谢的纽带。

③三羧酸循环所产生的多种中间产物是生物体内许多重要物质生物合成的原料。在细胞迅速生长时期，三羧酸循环可提供多种化合物的碳架，以供细胞生物合成使用。

    ④植物体内三羧酸循环所形成的有机酸，既是生物氧化的基质，又是一定器官的积累物质，如柠檬果实富含柠檬酸，苹果中富含苹果酸等。

    ⑤发酵工业上利用微生物三羧酸循环生产各种代谢产物，如柠檬酸、谷氨酸等。

（四）磷酸戊糖途径

糖的无氧酵解与有氧氧化过程是生物体内糖分解代谢的主要途径，但不是惟一的途径。糖的另一条氧化途径是从6-磷酸葡萄糖开始的，称为磷酸己糖支路，因为磷酸戊糖是该途径的中间产物，故又称之为磷酸戊糖途径(Pentose phosphate pathway)，简称PPP途径。磷酸戊糖途径是在细胞质的可溶部分——液泡中进行的。

    磷酸戊糖途径的存在可以由以下事实来证明：一些糖酵解的典型的抑制剂(如碘乙酸及氟化物)不能影响某些组织中葡萄糖的利用。此外，Warburg发现NADP⁺和6-磷酸葡萄糖氧化成6-磷酸葡萄糖酸时会导致葡萄糖分子进入一个当时未知的代谢途径，当用¹⁴C标记葡萄糖的C1处或C6处的碳原子时，则C1处的碳原子比C₆处的碳原子更容易氧化成¹⁴CO₂。如果葡萄糖只能通过糖酵解转化成两个3-¹⁴C丙酮酸，继而裂解成¹⁴CO₂，这些6-¹⁴C葡萄糖和1-¹⁴C葡萄糖会以同样的速度生成¹⁴CO₂。这些观察促进了磷酸戊糖途径的发现。

    磷酸戊糖途径的主要特点是葡萄糖的氧化，不是经过糖酵解和三羧酸循环，而是直接脱氢和脱羧，脱氢酶的辅酶为NADP⁺。整个磷酸戊糖途径分为两个阶段，即氧化阶段与非氧化阶段。前者是6-磷酸葡萄糖脱氢、脱羧，形成5-磷酸核糖，后者是磷酸戊糖经过一系列的分子重排反应，再生成磷酸己糖和磷酸丙糖。

    （1）、磷酸戊糖途径的反应历程

    1．氧化阶段

（1）6-磷酸葡萄糖脱氢酶以 NADP⁺为辅酶，催化6-磷酸葡萄糖脱氢生成6-磷酸葡萄糖酸内酯。

（2）6-磷酸葡萄糖酸内酯在内酯酶的催化下，内酯与H₂O起反应，水解为6-磷酸葡萄糖酸。 

    （3）6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶以NADP⁺为辅酶，催化6-磷酸葡萄糖酸脱羧生成五碳糖。

2．非氧化阶段

（1）磷酸戊糖的相互转化：

（2）7-磷酸景天庚酮糖的生成：由转酮酶(转羟乙醛酶)催化将生成的木酮糖的酮醇转移给5-磷酸核糖。

（3）转醛酶所催化的反应：生成的7-磷酸景天庚酮糖由转醛酶(转二羟丙酮基酶)催化，把二羟丙酮基团转移给3-磷酸甘油醛，生成四碳糖和六碳糖。

（4）四碳糖的转变：4-磷酸赤藓糖并不积存在体内，而是与另1分子的木酮糖进行作用，由转酮醇酶催化将木酮糖的羟乙醛基团交给赤藓糖，则又生成1分子的6-磷酸果糖和1分子的3-磷酸甘油醛。 

（2）．磷酸戊糖途径的生物学意义                   

（1）磷酸戊糖途径的酶类已在许多动植物材料中发现，说明磷酸戊糖途径也是普遍存在的糖代谢的一种方式。该途径在不同的器官或组织中所占的比重不同，在动物、微生物中约占30％，在植物中可占50％以上。动物肌肉中糖的氧化几乎完全通过磷酸戊糖途径，肝中90％糖的氧化通过此途径。   

（2）磷酸戊糖途径产生的还原型辅酶Ⅱ(NADPH)，可以供组织合成代谢需要。

（3）该途径的反应起始物为6-磷酸葡萄糖，不需要 ATP参与起始反应，因此磷酸戊糖循环可在低 ATP浓度下进行。

（4）此途径中产生的5-磷酸核酮糖是辅酶及核苷酸生物合成的必需原料。

    （5）磷酸戊糖循环与植物的关系更为密切，因为循环中的某些酶及一些中间产物(如丙糖、丁糖、戊糖、己糖和庚糖)也是光合碳循环中的酶和中间产物，从而把光合作用与呼吸作用联系起来。

图6-10  糖分解代谢各条途径的联系

（6）磷酸戊糖途径与植物的抗性有关  在植物干旱、受伤或染病的组织中，磷酸戊糖途径更加活跃。

（7）磷酸戊糖途径是由6-磷酸葡萄糖开始的、完整的、可单独进行的途径，因而可以和糖酵解途径相互补充，以增加机体的适应能力，通过3-磷酸甘油醛及磷酸己糖可与糖酵解沟通，相互配合。

（五）糖异生作用

    糖的异生作用(gluconeogenesis)是指从非糖物质前体如丙酮酸或草酰乙酸合成葡萄糖的过程。凡能生成丙酮酸的物质都可以异生成葡萄糖，如三羧酸循环的中间产物柠檬酸、异柠檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸和苹果酸都可转变成草酰乙酸而进入糖异生途径。

大多数氨基酸是生糖氨基酸，它们转变成丙酮酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸等三羧酸循环的中间产物进入糖异生途径。

脂肪酸先经β-氧化作用生成乙酰辅酶A，2分子乙酰辅酶A经乙醛酸循环(见脂类代谢)，生成1分子琥珀酸，琥珀酸经三羧酸循环转变成草酰乙酸，再转变成烯醇式磷酸丙酮酸，而后经糖异生途径生成糖。

 糖异生作用是生物合成葡萄糖的一个重要途径。生物通过此过程可将酵解产生的乳酸、脂肪分解产生的甘油与脂肪酸及生糖氨基酸等中间产物重新转化成糖。在种子萌发时，储藏性的脂肪与蛋白质可以经过糖异生作用转变成碳水化合物，一般以蔗糖为主，因为蔗糖可以运输，也可供种子萌发及幼苗生长的需要。葡萄糖异生作用虽不是植物的普遍特征，但在很多幼苗的代谢中却占优势。油料作物种子萌发时，由脂肪异生成糖的反应尤其强烈。