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生 物 化 学,第一章 新陈代谢总论 一、新陈代谢的概念（一）新陈代谢的概念新陈代谢是生物体最基本的特征，是生命存在的前提。新陈代谢（metabolisim）的概念：1、狭义概念：是指细胞内所发生的酶促反应过程，称为中间代谢（intermediary metabolisim）。（这是代谢活动的主体，也是代谢研究的主要内容）。,2、广义概念：是生物与外界环境进行物质与能量交换的全过程。即：生物体内所经历的一切化学变化。包括消化、吸收、中间代谢及排泄等阶段。,新陈代谢包括生物体内所发生的一切合成和分解作用。一方面，生物体不断从周围环境中摄取物质，通过一系列生化反应，转变为自己的组成部分；另一方面，将原有的组成成分经过一系列生化反应，分解成不能在利用的物质排出体外，不断地进行自我更新。生物体通过新陈代谢所产生的生命现象是建立在合成代谢与分解代谢矛盾对立和统一的基础上的，它们之间既相互联系、相互依存，又相互制约。,（二）新陈代谢的内容1、包括：物质代谢和能量代谢。（1）物质代谢：重点讨论各种生理活性物质（如糖、蛋白质、脂类、核酸等）在细胞内发生酶促反应的途径及调控机理，包含旧分子的分解和新分子的合成；（2）能量代谢：重点讨论光能或化学能在细胞内向生物能（ATP）转化的原理和过程，以及生命活动对能量的利用。能量代谢和物质代谢是同一过程的两个方面，能量转化寓于物质转化过程之中，物质转化必然伴有能量转化。,2、合成代谢（anabolism）分解代谢（catabolism）合成代谢和分解代谢并非简单可逆反应，发生于细胞不同部位（尤其是真核生物中最常见）。例如：脂肪酸分解成乙酰辅酶A是在线粒体中进行，而乙酰辅酶A合成脂肪酸则在细胞浆中进行。但有许多代谢有共同途径，称为“两用代谢途径”（amphibolic pathway）。,二、新陈代谢的研究方法 中间代谢的研究内容很多，研究目的不同，所用的生物材料和实验方法也不相同。为探讨代谢途径及其调节机理，动物、植物、微生物材料都可以作为实验对象。根据实验材料的水平，常将实验分为活体内实验和活体外实验。（一）活体内实验和活体外实验1、活体内实验（整体实验）用整体生物材料或高等动物离体器官或微生物细胞群体进行中间代谢实验研究称为活体内实验，用“in vivo”表示。,活体内实验结果代表生物体在正常生理条件下，在神经、体液等调节机制下的整体代谢情况，比较接近生物体的实际。典型例子：1904年，德国化学家Knoop提出的脂肪酸-氧化学说。2、活体外实验 用从生物体分离出来的组织切片，组织匀浆或体外培养的细胞、细胞器及细胞抽提物进行中间代谢实验研究称为活体外实验，用“in vitro”表示。典型例子：糖酵解、三羧酸循环、氧化磷酸化等。,（二）代谢途径的探讨方法 探讨物质代谢途径的常用方法有：代谢平衡实验、代谢障碍实验、代谢物质标记追踪实验、特征性酶鉴定实验、核磁共振波实验等。其中最有效的是代谢物质标记追踪实验和核磁共振实验。1、代谢平衡实验 通过活体内实验研究代谢物摄入和产出排出的平衡关系，可以了解对代谢物的利用能力及产物生成情况。例如测定“呼吸商”（R.Q.）可以判断体内能量利用情况。R.Q.=产CO2量（升）/耗O2量（升）,糖类物质R.Q为1，脂肪R.Q为0.7，蛋白质R.Q为0.8。人体正常代谢时，R.Q介于0.85-0.95之间，说明三大营养物质同时发生了氧化分解。饥饿状态下：R.Q？糖尿病人：R.Q？问题：若测得生物材料的R.Q接近1，则表明能量主要来自于何类物质分解？,2、代谢障碍实验（代谢途径阻断实验）正常生物体的中间代谢过程中，中间产物不会过多积累，不容易进行分析研究；若用适当方法造成代谢障碍，阻断代谢途径，则使中间产物积累，便于进行分析研究。阻断代谢途径的方法有：造成微生物营养缺陷性、使用抗代谢物、专一性抑制剂等。（1）微生物营养缺陷性（微生物基因突变型）采取诱变剂使微生物的基因发生突变，从而造成某种酶缺损，代谢途径中断，缺损酶前面的中间产物会大量积累，致使血液中或尿液中该种物质含量增高。,应用实例：乳糖的代谢机理。利用微生物的遗传突变型研究新陈代谢机制，比利用其他生物有以下优越性：容易突变；经济；简便等。,（2）使用抗代谢物抗代谢物，又叫代谢拮抗物，或代谢物结构类似物。其分子结构与代谢物的分子结构类似。实质：竞争性抑制剂。例子：丙二酸是琥珀酸的抗代谢物，能对琥珀酸脱氢酶发生很强的竞争性抑制作用，造成代谢中间产物“琥珀酸”积累，从而证明了TCA循环中有生成琥珀酸这一反应步骤。,（3）酶的专一性抑制剂例子：碘乙酸是巯基酶的专一性抑制剂，可抑制酵母的酒精发酵，造成3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮积累。由此证明了酵解途径中1，6-二磷酸果糖是三三裂解生成了三碳糖。（4）利用药物造成异常动物实验（病变动物法）用人工方法使动物发生某一过程的代谢障碍，然后给以一定量受试物质，研究其中间代谢过程。,例子1：研究维生素缺乏症，可给以缺乏某种维生素的饲料，若干天后观察其病变情况，在加入该种维生素，观察其症状有否好转，从而确定该种维生素的功能。例子2：“人工糖尿病”。例子3：生糖氨基酸；生酮氨基酸,3、代谢物标记追踪实验将代谢底物分子适当“标记”，然后追踪“标记”在细胞中的去向，就可以了解底物分子在中间代谢中经过什么中间产物，生成了什么终产物。这是探索代谢途径最有效的方法。标记方法有：化学标记法、同位素标记法。（1）化学标记法1904年，德国F.Knoop首次用苯环标记脂肪酸探讨中间代谢途径，提出著名的脂肪酸-氧化学说。缺点：化学标记法使天然代谢物分子结构和理化性质发生了改变，这可能给正常代谢途径造成某些影响。,（2）同位素标记法1941年，Rudolf Schoenheimer首次采用同位素标记法进行实验。同位素种类：稳定同位素和放射性同位素。二者区别：是否衰变、是否有射线。常用的稳定同位素有：重氢（2H或D）、15N、13C、18O等。用“稳定性同位素”标记的化合物可用质谱仪（mass spectrometer）定量测定，也可用超离心法分离鉴定。根据放射线同位素衰变时放出的射线性质，可以用专门仪器或专用方法测定。常用的放射性同位素有氘（T或3H）、14C、32P、34S、131I。,仪器：盖格计数器（Geiger counter）、闪烁计数器。例如：射线可用计数器测定；射线可用液体闪烁计数器测定。也可采用：放射自显影法（autoradiography）感光底片感光显示标记物在细胞中的位置。优点：1）同位素标记法特异性强，灵敏度高，测定方法简便。,2）放射性同位素分析方法比稳定同位素更方便、灵敏，应用更普遍。缺点：放射性同位素对人体有毒害，某些同位素的半衰期长，容易造成环境污染，所以需要在专门的同位素实验时进行。,4、测定特征性酶每条代谢途径都有其特征性酶，它的存在就表明该代谢途径存在。例如：糖代谢途径中的特征酶：EMP途径：醛缩酶HMP途径：6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶TCA途径：柠檬酸合成酶只要证明菌体中有某条代谢途径的特征性酶存在，就可断定存在这条代谢途径。,5、核磁共振波谱法（nuclear magnetic resonance spectroscopy，简称NMR）核磁共振谱可反映分子中各个原子所处的状态。由布洛赫（Bloch）和巴塞尔（Purcell）于1948年建立，因此获得1952年诺贝尔奖。应用最多的有13C谱、19F谱、31P谱和15N谱。特点：样品不受破坏，且能最真实地反映机体内的化学反应情况。,三、能量代谢与ATP能量代谢是新陈代谢中一个重要的组成部分。在能量代谢中起重要作用的有ATP。（一）高能键及高能化合物1、高能键（high-energy bond）高能键是1941年普曼（Fritz Lipman）提出的一个概念，用“”表示，是指其结构不稳定，性质活泼，自发水解或基团转移的趋势很强，当其发生水解或基团转移反应时，释放的自由能很多。高能键中的“高能”是指其自由能高，并非键能高。细胞中重要的高能键：高能磷酸键和高能硫脂键。,“高能键”与“键能”（energy bond）区别：化学中的“键能”是指断裂一个化学键所需要的能量；“高能键”是指水解或转移该键所释放的能量。2、高能化合物概念及种类概念：分子结构中含有高能键的化合物称为高能化合物。,表1-1 高能键及高能化合物,3、ATP的结构及意义ATP（三磷酸腺苷，腺苷三磷酸，adenosine triphosphate）是一种很重要的高能磷酸化合物。生物体每天要消耗大量ATP，安静状态的成年人：每天消耗40kgATP；激烈运动时：每分钟就消耗0.5kg。ATP是一分子腺嘌呤、一分子核糖和三个相连的磷酸基团构成的核苷酸，其结构：,意义：（1）ATP是产能反应和需能反应之间最主要的能量介质放能反应通过氧化磷酸化反应合成ATP，贮存能量；需能反应，则通过ATP水解供应之。a、当ATP提供能量时，在ATP远端的-磷酸基团水解为无机磷酸分子，ATP失掉一个磷酰基而变成腺苷二磷酸。ATP+H2OADP+Pi（标准自由能变化G0=-30.514kJ/mol）,b、在某些情况下，ATP的和磷酸基团之间的高能键被水解（即同时水解和-磷酸基团），形成AMP和焦磷酸。ATP+H2OAMP+PPi（G0=-32.19kJ/mol）,（2）作为磷酸基团供体参与磷酸化反应生化反应中，无论是分解代谢还是合成代谢，常常需要先将反应底物分子活化，其中，磷酸化是一种普遍活化方式。ATP具有很活泼的磷酸基团，可作为磷酸基的供体参与细胞中的磷酸化反应，此类反应由激酶催化。如：反应生成的磷酸化葡萄糖分子具有较高的自由能，易进一步参加反应。（3）ATP参加高能磷酸基团转移反应ATP在磷酸基团转移中起“中间传递体”的作用，故称“磷酸基团传递者”。,磷酸烯醇式丙酮酸和1，3-二磷酸甘油酸是葡萄糖的分解的中间产物，葡萄糖分解为乳酸时所释放的大部分自由能，几乎都保留在这两个化合物中。在细胞中这两个化合物并不直接水解，而是通过特殊激酶作用，以转移磷酸基团的形式，将捕捉的自由能传递给ADP从而形成ATP。而ATP分子又倾向于将它的磷酸基团转移给具有较低磷酸基团转移势能的化合物，例如葡萄糖和甘油，从而生成6-磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油。,其中，磷酸烯醇式丙酮酸和1，3-二磷酸甘油酸叫做“超高能化合物”（superhigh-energy compound），它们水解所释放的自由能比ATP高；同理，6-磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油叫做“低能磷酸化合物”。4、其他供能核苷酸GTP、UTP、CTP。其中，GTP对G蛋白的活化、蛋白质生物合成、蛋白质的寻靶、蛋白质的转运等作为推动力提供自由能；UTP在糖原合成中起活化葡萄糖分子的作用；CTP在合成磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺以及合成纤维素中起推动作用等。,5、ATP系统的动态平衡ATP作为自由能的贮存分子，其产生和利用处于动态平衡中。一般情况下，ATP在形成后一分钟内就会被利用，故严格说来ATP不是能量的贮存形式，而是传递能量的物质。细胞能量状态的表示方法：能荷（energy charge）、磷酸化势能（phosphorylation potential）。,四、新陈代谢的调节生物体新陈代谢虽然错综复杂，但互相配合有条不紊。这是因为生物体在长期进化、演变过程中形成了一个严格的调节机制，以保证新陈代谢的正常、有序、完整和统一。进化越高的生物，其代谢调控机制越复杂。主要分为两个方面：,1、整体水平调节主要指激素和神经调节。高等真核生物有内分泌腺，它所分泌的激素通过体液输送到一定组织，作用于靶细胞，改变酶活性，调节代谢反应方向和速度。高等生物还有复杂的神经系统，在中枢神经系统的直接或间接控制下，通过神经递质对效应器发生直接影响或通过激素对机体进行综合调节。,2、细胞水平调节（酶水平调节）细胞水平调节（酶水平调节）是指代谢物通过影响细胞内酶活力和酶含量的变化来改变合成或分解速度。酶活力调节：通过酶分子结构的改变，影响酶活力，实现对酶促反应速度的调节（快速调节）。如：反馈调节与别构酶；ATP、ADP、AMP的调节；酶的共价修饰调节等酶含量调节：改变分子合成或降解速度来改变细胞内酶的含量，从而实现对酶促反应速度的调节。原核生物的操纵子调控模式；真核生物基因表达的调控来达到调节酶的合成。,酶在细胞内有一定布局和定位，相互有关的酶常常组成一个多酶系统而分布于细胞内特定部位，这些酶相互接近，容易接触，使反应迅速进行；而其它酶系统分布在不同部位，不至于互相干扰。例如糖酵解、磷酸戊糖途径和脂肪酸合成的酶系存在于细胞浆中；三羧酸循环、脂肪酸的-氧化和氧化磷酸化的酶系则存在于线粒体中；核酸生物合成的酶系大多存在于细胞核中；蛋白质生物合成的酶系在颗粒型内质网膜上。,这样的隔离分布为细胞或酶水平代谢调节创造了有利条件，使某些酶能够专一地影响某一细胞部分的酶活性，而不至于影响其它酶活性，从而保证代谢顺利进行。,第二章 糖的分解代谢 糖类中多糖和低聚糖，由于分子大，不能透过细胞膜，所以在被生物体利用之前必须依靠酶水解成单糖或双糖，才能被细胞吸收，进入中间代谢。不同生物分泌的多糖降解酶不同，因此，利用多糖的能力也不同。多糖在细胞内和细胞外的降解方式不同，细胞外的降解（如动物消化道的消化，微生物胞外酶作用）是一种水解作用；细胞内的降解则是磷酸解（加磷酸分解）。,一、多糖和低聚糖的酶促降解（一）淀粉（或糖原）的酶促降解凡是能够催化淀粉（或糖原）分子及其分子片断中的葡萄糖苷键水解的酶都统称为淀粉酶。动物、植物和绝大多数微生物都能分泌淀粉酶，但不同生物所分泌的淀粉酶种类不同。,种类：1、-淀粉酶（淀粉-1，4-糊精酶，液化酶，编号：E.C.3.2.1.1）-淀粉酶是内切酶，从淀粉（或糖原）分子内部随机切断-1，4-糖苷键。不能水解淀粉中的-1，6-糖苷键及其非还原端相邻的-1，4-糖苷键。存在：动物的消化液、植物的种子和块根。它能将淀粉首先打断成短片段的糊精，故称淀粉-1，4-糊精酶。,该酶作用于粘稠的淀粉糊时，能使粘度迅速下降成稀溶液状态，工业上称此为“液化”。-淀粉酶可以看作是淀粉酶法水解的先导酶，大分子淀粉经其作用断裂，产生很多非还原性末端，为-淀粉酶或-淀粉酶提供了更多的作用点。工业化一般水解淀粉时，用量为每克30-60单位。,2、-淀粉酶（淀粉-1，4-麦芽糖苷酶，编号E.C.3.2.1.2）-淀粉酶是外切酶，从淀粉分子的非还原末端依次切割-1，4-麦芽糖苷键（即两个葡萄糖单位），生成麦芽糖。不能水解淀粉中的-1，6-糖苷键。当其作用于支链淀粉时，遇到分支点即停止作用。,3、-淀粉酶（葡萄糖淀粉酶，糖化酶，编号E.C.3.2.1.3）-淀粉酶是外切酶，从淀粉分子非还原端依次切割-1，4-糖苷键和-1，6-糖苷键，与-淀粉酶类似，水解产生的游离半缩醛羟基发生转位作用，释放-葡萄糖。,4、异淀粉酶（淀粉-1，6-葡萄糖苷酶，编号E.C.3.2.1.33）动物、植物、微生物都产生异淀粉酶。来源不同，名称也不同，如：脱支酶、Q酶、R酶、普鲁蓝酶、茁霉多糖酶等。水解支链淀粉或糖原的-1，6-糖苷键，生成长短不一的直链淀粉（糊精）。主要由微生物发酵生产，菌种有酵母、细菌、放线菌。以上四种淀粉酶的作用特点，见表1-2。,5、纤维素酶纤维素酶可水解-1，4-糖苷键，将纤维素水解成纤维二糖和葡萄糖。只存在于微生物中。某些动物肠道细菌中含有纤维素酶，所以可以分解纤维素。,6、磷酸化酶细胞内的多糖降解主要是指糖原的磷酸解。因为糖原分子中存在-1，4-糖苷键和-1，6-糖苷键，因此细胞中有两种降解糖原的酶。降解-1，4-糖苷键的酶称为磷酸化酶或糖苷转移酶。降解-1，6-糖苷键的酶称为脱支酶。糖原磷酸化酶降解的产物都是1-磷酸葡萄糖。,（二）纤维素的酶促降解人的消化道中没有水解纤维素的酶，但很多微生物如细菌、真菌、放线菌、原生动物等能产生纤维素酶及纤维二糖酶，它们能催化纤维素完全水解成葡萄糖。（三）果胶的酶促降解果胶酶：根据机理分为裂解酶和水解酶。其种类和特点见表2-2。来源：植物和微生物。,（四）双糖的酶促降解在双糖酶催化下进行，双糖酶主要有麦芽糖酶、纤维二糖酶、蔗糖酶、乳糖酶等，它们都属于糖苷酶。存在：广泛分布于植物、动物小肠液、微生物中。,二、糖的分解代谢概述糖的分解代谢是生物体取能的方式。糖的分解代谢实际上就是它的氧化作用。生物体内葡萄糖（或糖原）的分解主要有三条途径：（1）在无氧条件下，葡萄糖（糖原）经糖酵解生成乳酸。（2）在有氧条件下，葡萄糖（糖原）最后经三羧酸循环彻底氧化为水和二氧化碳。（3）葡萄糖（糖原）经戊糖磷酸循环途径被氧化为水和二氧化碳。植物体的分解代谢，除了以上动物体的三条途径外，还有生醇发酵和乙醛酸循环。,三、糖的无氧分解（一）概念糖的无氧分解：是指摩尔葡萄糖在无氧或供氧不足时分解生成摩尔乳酸，并释放出少量能量的过程。由于其过程与葡萄糖生醇发酵的过程基本相同，所以称为糖酵解。年三位生物化学家G.Embden、O.Meyerhof、J.K.Parnas提出糖酵解。又叫“EMP”途径。,糖酵解和生醇发酵的区别：相同点：葡萄糖生成丙酮酸的过程；都在细胞液中进行。不同点：发酵的起始物是葡萄糖，酵解的起始物是葡萄糖或糖原；糖酵解由丙酮酸直接还原成乳酸，而生醇发酵则是丙酮酸先生成乙醛，然后再还原成乙醇。,（二）糖酵解的过程包含四个阶段：己糖磷酸酯的生成（己糖磷酸化）；丙糖磷酸的生成（磷酸己糖的裂解）；丙酮酸的生成；乳酸的生成。1、第一阶段：己糖磷酸酯的生成（葡萄糖分子活化）葡萄糖或糖原经磷酸化转变成1，6-二磷酸果糖。以葡萄糖为起始物：分成三个过程：葡萄糖的磷酸化、异构化、果糖磷酸的磷酸化。,（1）葡萄糖的磷酸化,反应机理：ATP的-磷酸基团在葡萄糖催化下，转移到葡萄糖分子上。凡是催化ATP分子的磷酸基团向代谢物分子转移的酶都叫做“激酶”。,意义：将葡萄糖分子磷酸化成了易参加代谢反应的活化形式；磷酸化的葡萄糖分子带有很强的极性基团，不能透过细胞膜，能够防止细胞内的葡萄糖分子向外渗出；为以后底物水平磷酸化贮备了磷酸基。己糖激酶特性：1）需要二价金属离子如Mg2+或Mn2+作为辅助因子，己糖激酶才有活性；2)别构酶：G-6-P和ATP是其别构抑制剂；3）分布很广，动植物及微生物细胞中均有；4）专一性：不强，能催化许多六碳糖，如D-果糖、D-甘露糖等，但对葡萄糖亲和力较大；5）糖酵解的第一个调节酶（限速酶）。,己糖激酶与葡萄糖激酶的区别：己糖激酶能催化一切己糖，存在于细菌、酵母及多种动植物中；葡萄糖激酶只能催化葡萄糖转变为6-磷酸-葡萄糖，只存在于肝脏，肌肉中没有。肝脏中的葡萄糖激酶量比己糖激酶量高。,若以糖原为起始物：糖原先经磷酸化酶作用，磷酸解为1-磷酸葡萄糖，再由磷酸葡萄糖变位酶催化转变为6-磷酸葡萄糖，从而进入共同分解途径。,（2）G-6-P的异构化异构化反应是以开链形式进行，异构结束后又转变成环状结构。己醛糖变成己酮糖。,（3）F-6-P磷酸化反应磷酸果糖激酶（PFK）特性：1）需要二价金属离子Mg2+或Mn2+作为辅助因子；2）别构酶：ATP是其别构抑制剂，柠檬酸、脂肪酸可增强其抑制作用，ADP、AMP、无机磷是其别构激活剂；3）限速酶：糖酵解中最重要的限速酶。,2、第二阶段：丙糖磷酸的生成1，6-二磷酸果糖分裂成两分子丙糖磷酸。分成两个步骤：（1）裂解反应 1，6-二磷酸果糖在第3与第四碳原子之间裂解为两个三碳化合物。,醛缩酶命名：由于逆反应是一个醇醛缩合反应而得名。醛缩酶特性：由四个亚基构组成，相对分子量为160，000。来自动物组织的醛缩酶有三种同工酶：肌肉型、肝型和脑型，不需要辅助因子。但来源于酵母、细菌的酶需要Fe2+、Co2+、Zn2+激活。（2）异构化,反应平衡朝向磷酸二羟丙酮。平衡后，磷酸二羟丙酮占96%。但由于3-磷酸甘油醛不停地向前反应，被消耗掉，故能推动异构化反应不断向3-磷酸甘油醛方向进行。磷酸丙糖异构酶特性：相对分子量为56，000，由不同亚基组成的二聚体。,3、第三阶段：3-磷酸甘油醛生成丙酮酸分成六个步骤：（1）3-磷酸甘油醛氧化成1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油醛脱氢酶催化3-磷酸甘油醛脱氢氧化并磷酸化，生成高能化合物1，3-二磷酸甘油酸。,3-磷酸甘油醛脱氢酶特性：1）由四个相同亚基构成，每个亚基牢固地结合一分子NAD+。位于酶活性中心的半胱氨酸巯基是其酶活性中心的必需基团。烷化剂（如碘乙酸）和重金属对该酶有不可逆抑制作用。2）变构酶。3-磷酸甘油醛脱氢酶作用机制：,（2）1，3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸酶是根据其逆反应命名，相对分子量为50，000。,（3）3-磷酸甘油酸变成2-磷酸甘油酸酶的相对分子量65，700。,（4）2-磷酸甘油酸脱水形成2-磷酸烯醇式丙酮酸烯醇化酶特性：1）相对分子量为88，000。由两个相同亚基组成的二聚体。2）需要Mg2+或Mn2+作为激活剂。3）氟化物是烯醇化酶的不可逆抑制剂（氟与镁和无机磷酸形成一个复合物，取代酶分子上镁离子的位置，从而使酶失活。）,（5）磷酸烯醇式丙酮酸转变为烯醇式丙酮酸 丙酮酸激酶（pyruvate kinase）特性：1）需要Mg2+、Mn2+或K+作为激活剂；2）限速酶；3）别构酶：长链脂肪酸、乙酰辅酶A、ATP、丙氨酸是别构抑制剂；1，6-二磷酸果糖是别构激活剂。4）已从动物组织和酵母中结晶纯化，相对分子量为250，000，是一个四聚体。哺乳动物的丙酮酸激酶有四种同工酶：L、M、K和R，分别分布于肝、肌肉、肾髓质及红细胞。,（6）丙酮酸的生成不需要酶，烯醇式丙酮酸不稳定，很容易变成丙酮酸。,4、第四阶段：乳酸的生成乳酸脱氢酶特性：相对分子量为140，000，有5种同工酶。机体内乳酸脱氢酶同工酶的比例是比较恒定的。临床上通过测定血液中乳酸脱氢酶同工酶的比例来判断是否患有心肌、肝脏等疾病。高等动物肌肉中的糖酵解叫做“单纯乳酸发酵”；微生物经过无氧条件产生乳酸叫做“乳酸发酵”。,（三）糖酵解小结1、糖酵解总图,2、糖酵解进行部位：细胞液。3、糖酵解产生能量：1mol 葡萄糖糖酵解所产生的ATPmol数,（四）糖酵解的调控三个限速酶：果糖磷酸激酶、丙酮酸激酶、己糖激酶。1、磷酸果糖激酶ATP和柠檬酸是此酶的变构抑制剂。这个酶所催化的反应需要ATP，但随着糖酵解的进行，ATP逐渐积累，高浓度的ATP对此酶活性又有抑制作用。（这是因为磷酸果糖激酶有两个ATP结合位点，一个处于活性中心内，ATP作为底物与之结合；另一个位于活性中心外，为变构效应物接合部位，此位点与ATP亲和力较低，只有高浓度ATP存在时它才与ATP结合，从而使酶变构失活。）,AMP、ADP、6-磷酸果糖和2，6-二磷酸果糖是磷酸果糖激酶的变构激活剂。AMP和ADP可与ATP竞争变构结合部位，抵消ATP的抑制作用。2，6-二磷酸果糖是由2-磷酸果糖激酶催化，由6-磷酸果糖的C2位磷酸化生成。2，6-二磷酸的作用是与AMP一起取消ATP、柠檬酸对磷酸果糖激酶的变构抑制作用。磷酸果糖激酶是个双功能酶，它有两个分开的活性中心，一个具有激酶活性，另一个具有磷酸酶活性。,2、丙酮酸激酶6-磷酸果糖和1，6-二磷酸果糖是丙酮酸激酶的变构剂活剂，而ATP是它的变构抑制剂。此外，丙氨酸、乙酰CoA和脂肪酸也是它的抑制剂。此酶通过两种方式调节活性。一种是共价修饰：磷酸化后失去活性；另一种是聚合与解聚：这个酶有二聚体和四聚体两种形式。通常二者保持动态平衡。当底物或上述中间物激活剂存在时，平衡倾向于形成四聚体，活力升高，Km减小；上述抑制因子则可稳定二聚体的构象，活力降低，Km增大。所以此酶也可以通过二聚体与四聚体的互变来调节酶的活性。,3、己糖激酶主要受脂肪代谢的调控，乙酰CoA和脂肪酸均具有抑制作用，另外，此酶催化的产物6-磷酸葡萄糖是它的变构抑制剂。上述几种酶对糖酵解的调节，主要受细胞内能量状况的影响。当能量消耗多，细胞内ATP/ADP（以及ATP/AMP）比例降低时，磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶均被激活，加速葡萄糖的分解；相反，细胞内ATP贮存丰富活脂肪酸代谢加强时，葡萄糖的酵解降低。,（五）糖酵解的生理意义、酵解途径是单糖分解代谢的一条重要途径，不仅葡萄糖，其它己糖及戊糖也能通过特定的方式进入酵解途径。、为机体提供能量底物为葡萄糖时，糖酵解产生molATP；底物为糖原时，产生molATP。、为某些厌氧生物及组织细胞生活所需（）厌氧微生物生活所需能量完全依靠糖酵解；,（）供氧充分的条件下，有少数组织细胞，如红细胞、睾丸、视网膜、皮肤、肾髓质、白细胞等所需能量主要由糖酵解中底物水平磷酸化产生的ATP提供。红细胞缺少线粒体，不能进行有氧分解，其所需能量全部依赖糖酵解。、某些情况下，如剧烈运动，能量需要量增加，糖氧化分解加速，此时呼吸循环加快以增加氧的供应，若供氧量仍不能满足有氧分解所需时，则肌肉处于相对缺氧状态，糖酵解加强，以提供机体急需能量。,、某些病理情况下，如严重贫血、失血、休克、呼吸障碍、心功能不全等，因氧供应不足，组织细胞也可增强糖酵解以获取能量。另外癌细胞中酵解作用很强，即使供氧充分，酵解作用对有氧分解也具有抑制作用（反巴斯德效应，Crabtree效应）。,（五）乳酸的去路正常情况下，机体可继续利用乳酸。当氧供给充分时，乳酸转化成丙酮酸，循糖的有氧分解途径分解为CO2和H2O，释放能量。肌肉中的大量乳酸还可以通过血液运到肝脏和肾脏，通过糖的异生作用转变为糖。乳酸是酸性物质，若细胞或血液中过量堆积也可导致酸中毒。,（六）无氧条件下丙酮酸的去路兼性微生物或厌氧微生物及高等动植物的某些细胞，能将丙酮酸进一步转化成发酵产物。不同生物的酶系不同，得到的发酵产物也不一样。常见的有：酵母菌的生醇发酵、甘油发酵、乳酸菌的乳酸发酵等。重点介绍：生醇发酵生醇发酵中，丙酮酸在丙酮酸脱羧酶催化下失去CO2生成乙醛，再在乙醇脱氢酶作用下生成乙醇。丙酮酸脱羧酶特性：以TPP为辅酶；动物细胞中不存在。,四、糖的有氧分解(一)概念是指在有氧条件下，葡萄糖或糖原的葡萄糖单位彻底氧化分解为CO2和H2O，并释放出大量能量的过程。有氧分解是糖氧化分解的主要方式。,(二)糖的有氧分解的过程分为三个阶段：、由葡萄糖或糖原的葡萄糖单位分解生成丙酮酸，反应在细胞液中进行；、由丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶（acetyl-coenzymeA乙酰CoA），反应在线粒体中进行；、由乙酰CoA经三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCAC）氧化分解生成CO2和H2O，反应在线粒体中进行。,三羧酸循环：又叫柠檬酸循环或Krebs循环。由草酰乙酸和乙酰CoA的乙酰基缩合生成柠檬酸开始，经一系列反应又生成草酰乙酸循环过程。三羧酸酶循环一周进行两次脱羧反应和四次脱氢反应，分子的乙酰基被氧化生成分子CO2生成摩尔ATP。三羧酸循环是由德国科学家Hans Krebs于年提出，生物化学领域的重大成就（当时还没有同位素示踪法）。Krebs于年获得诺贝尔奖。,具体过程：1、糖氧化分解生成丙酮酸葡萄糖或糖原在细胞液中，经一系列化学反应生成丙酮酸。此过程与糖酵解途径相同。两条途径的区别：3-磷酸甘油醛脱氢反应生成的2H的去向不同。糖酵解：2H由NADH传递给丙酮酸，使丙酮酸还原为乳酸；有氧分解：NADH的2H转入线粒体内，传递给分子氧，在生成水的过程中释放能量，生成ATP。,2、丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A丙酮酸进入线粒体，在丙酮酸脱氢酶系催化下，氧化脱羧后，与辅酶A（HS-CoA）结合生成乙酰CoA。,丙酮酸脱氢酶系（丙酮酸脱氢酶复合体）特性：由三种酶、六种辅助因子组成。E1-丙酮酸脱羧酶（丙酮酸脱氢酶，pyruvate decarboxylase）；E2-二氢硫辛酸乙酰基转移酶（dihydrolipoyl transacetylase）；E3-二氢硫辛酸脱氢酶（dihydrolipoyl dehydrogenase）。六种辅助因子：TPP、硫辛酸、CoASH、FAD、NAD+、Mg2+。硫辛酸是一个含硫的8碳羧酸，为脂溶性维生素。,分成个步骤：（1）丙酮酸脱羧极复杂。首先丙酮酸与TPP结合形成不稳定的络合物，后者经丙酮酸脱氢酶催化生成羟乙基硫胺素焦磷酸。,（2）羟乙基氧化并转移与TPP连接的羟乙基氧化成乙酰基并将乙酰基转移到硫辛酰胺（硫辛酸-酶复合物），产生乙酰硫辛酸-酶复合物（乙酰硫辛酰胺）。,（3）转酰基将乙酰基从硫辛酰胺转移给辅酶A，生成乙酰辅酶A和二氢硫辛酰胺。,（4）二氢硫辛酰胺脱氢氧化,（5）FADH2脱氢用NAD+将FADH2氧化。其中，第一步反应不可逆，其余可逆。由于第一步不可逆，因此整个酶系催化的反应不可逆，即只能由丙酮酸向乙酰辅酶A方向进行。丙酮酸脱羧酶为限速酶。,3、三羧酸循环包含8个步骤：（1）乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合形成柠檬酸,柠檬酸合成酶特性：1）相对分子量98，000；2）由两个亚基组成；3）反应不可逆，三羧酸循环的第一个限速酶。4）活性受ATP、NADH、琥珀酸CoA等抑制。重要抑制剂：氟乙酸（机理：柠檬酸合成酶催化氟乙酰CoA与草酰乙酸发生缩合作用生成氟柠檬酸，阻碍TCA循环）。应用：有毒植物叶子中含有氟乙酸；杀虫剂；灭鼠药。,草酰乙酸可以由丙酮酸通过另外途径转变而来。重要途径有三种：1）由苹果酸酶和苹果酸脱氢酶催化（动物、植物、微生物）,2）由丙酮酸羧化酶催化（动物、酵母）丙酮酸羧化支路3）由磷酸丙酮酸羧化酶催化（植物、微生物）,（2）柠檬酸脱水生成顺乌头酸，然后加水生成异柠檬酸顺乌头酸的生成：柠檬酸在顺乌头酸催化下失水生成顺乌头酸。异柠檬酸的生成：,顺乌头酸在同一种顺乌头酸酶催化下，加水生成异柠檬酸。顺乌头酸酶实际上起异构化作用，反应平衡时，柠檬酸占90%，顺乌头酸占4%，异柠檬酸占6%，但由于在线粒体内，异柠檬酸不断向下反应，整个反应趋向于异柠檬酸的生成。顺乌头酸酶特性：1）在有Fe2+、还原性谷胱甘肽或半胱氨酸存在时，活性最大；2）猪心肌顺乌头酸酶的相对分子量为89，000，由两个亚基构成；,（3）-酮戊二酸的生成在异柠檬酸脱氢酶催化下，异柠檬酸脱去2H，其中间产物草酰琥珀酸迅速脱羧生成-酮戊二酸。,异柠檬酸脱氢酶特性：1）具有脱氢和脱羧两种功能，脱羧反应需要Mn2+；2）已发现两种，一种需要NAD+和Mg2+为辅酶，另一种需要NADP+和Mn2+为辅酶。前者仅存在于线粒体，其主要功能是参与三羧酸循环；后者存在于线粒体，也存在于细胞浆，其主要功能是作为还原剂NADPH的一种来源。3）别构酶：ADP是激活剂；ATP和NADH是抑制剂。4）限速酶此步反应为一分界点，之前为三羧酸转化，之后为二羧酸变化。,（4）-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰辅酶A反应不可逆，与丙酮酸氧化脱羧很相似，使五碳化合物变成4碳化合物。,-酮戊二酸脱氢酶系特性：1）包含三种酶（-酮戊二酸脱羧酶、硫辛酸琥珀酰转移酶和二氢硫辛酸脱氢酶）和六种辅助因子（TPP、硫辛酸、CoASH、FAD、NAD+、Mg2+）。2）限速酶：受ATP、NADH和琥珀酰辅酶A的抑制。,（5）琥珀酸的生成琥珀酸硫激酶，又叫琥珀酰辅酶A合成酶。三羧酸循环中唯一一次底物水平磷酸化。GTP可直接利用，也可在二磷酸核苷激酶催化下，将高能磷酸键转移给ADP，从而生成ATP。,（6）琥珀酸脱氢生成延胡索酸（7）延胡索酸水化生成苹果酸,（8）苹果酸氧化生成草酰乙酸至此草酰乙酸又重新生成，又可与一分子乙酰辅酶A缩合成柠檬酸进入三羧酸循环。,其中,丙酮酸所含3个碳原子被氧化成3分子的CO2，其中一个是在形成乙酰辅酶A时产生的，另两个是在第3、4步产生的。丙酮酸氧化脱羧反应及三羧酸循环中反应3、4、6、8各脱下一对氢原子，交给NAD+和FAD，经呼吸链交给氧生成水。每循环一次，经历两次脱羧过程，使一分子乙酰辅酶A氧化成CO2和水。1摩尔葡萄糖产生2摩尔乙酰CoA，所以必须经过2次三羧酸循环才能完全氧化成CO2 和水。,（三）三羧酸循环的调节细胞内对能量的需求主要靠糖的有氧氧化。三羧酸循环中有三种限速酶。1、柠檬酸合成酶最关键的限速酶。活性受ATP、NADH、琥珀酰CoA抑制；草酰乙酸和乙酰CoA激活。2、异柠檬酸脱氢酶活性受ATP、NADH抑制；ADP、AMP激活。当细胞处于低能量状态时，ATP大量分解产生ADP，ADP浓度增高，激活其酶活性。,3、-酮戊二酸脱氢酶系调节机理相同。另外，Ca2+也可激活。4、脂肪代谢的影响当脂肪酸分解代谢加强时，抑制柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和丙酮酸脱氢酶系活性，从而抑制糖的有氧氧化。说明：近年有资料报道，柠檬酸合成酶不是三羧酸循环的主要限速酶（理由：其催化产物柠檬酸可以转移到细胞浆中分解为乙酰CoA，用于合成脂肪酸，因此，柠檬酸合成酶活性升高并不一定加速三羧酸循环运转）。,总结：影响糖有氧氧化酶活性的因素主要有三方面：1）代谢产物的反馈抑制作用：乙酰辅酶A和琥珀酰CoA含量较多时，反馈抑制脱氢酶系活性。2）ATP和ADP影响：糖有氧分解代谢速度主要决定于细胞对ATP的需求。当细胞内ATP消耗超过ATP生成时，ATP浓度降低，ADP和AMP浓度升高，糖有氧分解代谢的调节酶活性抑制被解除，糖有氧分解速度加快。,3）NADH和NAD+的影响：糖有氧分解调节酶中的脱氢酶，其辅酶都含有NAD+。糖有氧分解过程中，底物脱氢使NAD+转变为NADH，这样，NAD+不断减少，NADH不断增高，导致有氧分解速度减慢。当NADH通过呼吸链氧化转变为NAD+时，糖的有氧分解速度又可恢复。,(三)糖的有氧分解的意义1、供给能量糖有氧分解释放能量生成ATP有两种方式，一是底物水平磷酸化，二是氧化磷酸化。氧化磷酸化是指葡萄糖氧化过程中脱下的氢经线粒体的呼吸链传递，最终与氧反应生成H2O，在此过程中释放能量，使ADP生成ATP。实验证明：经NADH传递的H 生成分子ATP，经FADH2传递的H生成分子ATP。,因此，摩尔葡萄糖完全氧化分解为CO2和H2O时，底物水平磷酸化次，生成摩尔ATP；脱氢反应次，生成摩尔ATP；葡萄糖有氧分解过程消耗摩尔ATP。总共摩尔葡萄糖完全氧化分解可净生成摩尔ATP。,2、三羧酸循环是体内营养物质彻底氧化分解的共同通路凡是能够转变为糖有氧氧化中间产物的物质均可以参加三羧酸循环。所以三羧酸循环不仅是糖完全分解的途径和ATP生成的主要环节，也是甘油、脂肪、氨基酸等营养物质彻底氧化的共同通路。,3、有氧分解代谢途径是体内物质代谢的主线糖有氧代谢途径与糖代谢的其他途径联系紧密，如糖无氧分解、磷酸戊糖途径、糖异生作用等。另外，三脂酰甘油的合成与分解、氨基酸的代谢等都与糖的有氧分解代谢途径的中间产物紧密相连。实例：丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸可以转变为相应的丙酮酸、草酰乙酸等；脂肪酸分解的乙酰CoA也可通过三羧酸循环被彻底氧化。因此，三羧酸循环可以说是体内能量和物质代谢的枢纽。,五、乙醛酸循环 许多微生物如醋酸杆菌、大肠杆菌、固氮菌等体内含有异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶，前者催化异柠檬酸裂解生成琥珀酸和乙醛酸；后者催化乙醛酸与乙酰CoA合成苹果酸。从而将TCA循环联系起来。,乙醛酸循环：存在：植物和微生物中。,乙醛酸循环与三羧酸循环的关系：,有些微生物具有乙酰CoA合成酶，能利用乙酸作为碳源，使乙酸生成乙酰CoA而进入乙醛酸循环。,六、磷酸戊糖途径（phosphopentose pathway）（一）概念糖无氧分解和有氧分解是体内糖分解的主要途径，但不是唯一途径。发现：加入碘乙酸或氟化物后虽然糖酵解和糖的有氧氧化被阻断，但葡萄糖依然被分解，说明细胞中存在其他分解途径。,在肝脏、脂肪组织、肾上腺皮质、乳腺、性腺、骨髓的组织中上存在一条磷酸戊糖途径（pentosephosphate pathway），由于此途径是从6-磷酸葡萄糖开始，故又叫磷酸己糖旁路（简称HMS）等。存在：动植物、微生物细胞中。动物体内约有30%的葡萄糖通过磷酸戊糖途径分解。进行部位：细胞液。,（二）磷酸戊糖途径的反应过程包含三个阶段：磷酸戊糖的生成；磷酸戊糖间互相转变；单糖分子间基团转换。1、6-磷酸葡萄糖氧化生成6-磷酸葡萄糖酸,2、6-磷酸葡萄糖酸脱羧生成5-磷酸