生物化學(xué)重點(diǎn)串講(3)

1、第四章 新陳代謝總論與生物氧化二一三年十月二十六日星期六教學(xué)目標(biāo)：1. 掌握新陳代謝的概念與特點(diǎn)，了解新陳代謝研究方法。了解生物體內(nèi)能量代謝的基本規(guī)律。 2. 掌握生物氧化的概念、特點(diǎn)、部位，主要酶類和體系。熟悉生物氧化中二氧化碳、水的生成，掌握呼吸鏈的組成、類型和傳遞體順序。3. 掌握氧化磷酸化的概念、類型、偶聯(lián)部位和P/O比值，熟悉影響氧化磷酸化因素、胞液中NADH的氧化和偶聯(lián)機(jī)制。 第一節(jié) 新陳代謝總論一、新陳代謝的概念與特點(diǎn)生物體是一個與環(huán)境保持著物質(zhì)、能量和信息交換的開放體系。通過物質(zhì)交換建造和修復(fù)生物體（按人的一生計,交換物質(zhì)的總量約為體重的1200倍,人體所含的物質(zhì)平均每10天更

2、新一半）。通過能量交換推動生命運(yùn)動，通過信息交換進(jìn)行調(diào)控，保持生物體和環(huán)境的適應(yīng)。新陳代謝（metabolism）是指生物與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換和能量交換的全過程。包括生物體內(nèi)所發(fā)生的一切合成和分解作用（即同化作用和異化作用）。人和動物的物質(zhì)代謝分為三個階段：食物、水、空氣進(jìn)入機(jī)體（攝取營養(yǎng)物的消化和吸收）、中間代謝和代謝產(chǎn)物的排泄。中間代謝是指物質(zhì)在細(xì)胞中的合成與分解過程，合成是吸能反應(yīng)，分解是放能反應(yīng)。它們是矛盾對立和統(tǒng)一的。所以，新陳代謝的功能是：從周圍環(huán)境中獲得營養(yǎng)物質(zhì)；將營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨硇枰慕Y(jié)構(gòu)元件；將結(jié)構(gòu)元件裝配成自身的大分子；形成或分解生物體特殊功能所需的生物分子；提供機(jī)體生

3、命活動所需的一切能量。各種生物具有各自特異的新陳代謝類型，這決定于遺傳和環(huán)境條件。綠色植物及某些細(xì)菌有光合作用，若干種細(xì)菌有固氮作用，是自養(yǎng)型的；動物與人是異養(yǎng)生物，同化作用必須從外界攝取營養(yǎng)物質(zhì)，通過消化吸收進(jìn)入中間代謝。同一生物體的各個器官或不同組織還具有不同的代謝方式。各種生物的新陳代謝過程雖然復(fù)雜，卻有共同的特點(diǎn)：1.生物體內(nèi)的絕大多數(shù)代謝反應(yīng)是在溫和條件下，由酶催化進(jìn)行的。2.物質(zhì)代謝通過代謝途徑，在一定的部位，嚴(yán)格有序地進(jìn)行。各種代謝途徑彼此協(xié)調(diào)組成有規(guī)律的反應(yīng)體系（網(wǎng)絡(luò)）。3.生物體對內(nèi)外環(huán)境條件有高度的適應(yīng)性和靈敏的自動調(diào)節(jié)。二、新陳代謝的研究方法代謝途徑的研究比較復(fù)雜，可從不

4、同水平，主要對中間代謝進(jìn)行研究。新陳代謝途徑的闡明凝集了許多科學(xué)家的智慧與實(shí)驗(yàn)成果。如1904年德國化學(xué)家Knoop提出的脂肪酸的氧化學(xué)說，1937年Krebs提出的檸檬酸循環(huán)。1.活體內(nèi)（in vivo）和活體外(in vitro)實(shí)驗(yàn)2.同位素示蹤法和核磁共振波譜法（NMR）3.代謝途徑阻斷法三、生物體內(nèi)能量代謝的基本規(guī)律1.服從熱力學(xué)原理。熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律，熱力學(xué)第二定律指出，熱的傳導(dǎo)自高溫流向低溫。機(jī)體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)朝著達(dá)到其平衡點(diǎn)的方向進(jìn)行。2.生化反應(yīng)最重要的熱力學(xué)函數(shù)是吉布斯自由能G 。自由能是在恒溫、恒壓下，一個體系作有用功的能力的度量。用于判斷反應(yīng)可否自發(fā)進(jìn)行，是放

5、能或耗能反應(yīng)。G0，表示體系自由能減少，反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行，但是不等于說該反應(yīng)一定發(fā)生或以能覺察的速率進(jìn)行，是放能反應(yīng)。G0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，吸收能量才推動反應(yīng)進(jìn)行。G0，體系處在平衡狀態(tài)。自由能與另外兩個函數(shù)有關(guān)，G=H - TS（H是總熱量的變化，S是總熵的改變，T是體系的絕對溫度）。標(biāo)準(zhǔn)自由能變化用GO表示（25OC，1個大氣壓，pH為7，反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度為1mol/L時所測得，單位是kJ/mol）。3GO和化學(xué)平衡的關(guān)系G = GO+ RT lnCD/AB G=0時，GO= - RTlnCD/AB= -RTlnK= -2.303RTlgK（R為氣體常數(shù)，lnK為平衡常數(shù)的自然對數(shù)。K1

6、，GO為負(fù)值，反應(yīng)趨于生成物的方向進(jìn)行；K1，GO為正值。）注意：G只取決于產(chǎn)物與反應(yīng)物的自由能之差，與反應(yīng)歷程無關(guān)?？傋杂赡茏兓扔诟鞑椒磻?yīng)自由能變化的代數(shù)和。熱力學(xué)上不利的吸能反應(yīng)可以偶聯(lián)放能反應(yīng)來推動以保持代謝途徑一連串反應(yīng)的進(jìn)行。四、高能化合物與ATP的作用高能化合物（high-energy compound）指化合物含有的自由能特多，且隨水解反應(yīng)或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)釋放。最重要的有高能磷酸化合物，還有硫酯類和甲硫類高能化合物。高能磷酸化合物的酸酐鍵常用P表示，水解時釋放的自由能大于20kJ，稱為高能磷酸鍵。生化中“高能鍵”的含義與化學(xué)中的“鍵能”完全不同。“鍵能”指斷裂一個化學(xué)鍵需提供的能

7、量。 ATP是細(xì)胞內(nèi)特殊的自由能載體。在標(biāo)準(zhǔn)狀況，ATP水解為ADP和Pi的GO=-30kJ/mol，水解為AMP和PPi的GO=-32kJ/mol。ATP的GO在所有的含磷酸基團(tuán)的化合物中處于中間位置，這使ATP在機(jī)體起作中間傳遞能量的作用，稱之能量的共同中間體。機(jī)體內(nèi)一些在熱力學(xué)上不可能發(fā)生的反應(yīng)，只需與ATP分子的水解相偶聯(lián)，就可使其進(jìn)行。所以說，ATP又是生物細(xì)胞能量代謝的偶聯(lián)劑。從低等的單細(xì)胞生物到高等的人類，能量的釋放、儲存和利用都是以ATP為中心。ATP是整個生命世界能量交換的通用貨幣。ATP是能量的攜帶者或傳遞者，而不是儲存者。在脊椎動物中起能量儲存的是磷酸肌酸（phospho

8、ccreatine，PC），在無脊椎動物中是磷酸精氨酸。ATP和其他的核苷三磷酸GTP、UTP、CTP常稱作富含能量的代謝物。它們幾乎有相同的水解（或形成）的標(biāo)準(zhǔn)自由能，核苷酸之間的磷酰基團(tuán)的轉(zhuǎn)移的平衡常數(shù)接近1.0，所以計算物質(zhì)代謝能量時，消耗的其他核苷三磷酸用等價的ATP表示。第二節(jié) 生物氧化一、生物氧化的概念、特點(diǎn)和部位1.概念：有機(jī)物質(zhì)在生物體細(xì)胞內(nèi)氧化分解產(chǎn)生二氧化碳、水，并釋放出大量能量的過程稱為生物氧化（biological oxidation）。又稱細(xì)胞呼吸或組織呼吸。2.特點(diǎn)：生物氧化和有機(jī)物質(zhì)體外燃燒在化學(xué)本質(zhì)上是相同的，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律，所耗的氧量、最終產(chǎn)物和釋

9、放的能量均相同。（1）在細(xì)胞內(nèi)，溫和的環(huán)境中經(jīng)酶催化逐步進(jìn)行。（2）能量逐步釋放。一部分以熱能形式散發(fā)，以維持體溫，一部分以化學(xué)能形式儲存供生命活動能量之需（約40%）。（3）生物氧化生成的H2O是代謝物脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生，H2O也直接參與生物氧化反應(yīng)；CO2由有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生。（4）生物氧化的速度由細(xì)胞自動調(diào)控。3.部位：在真核生物細(xì)胞內(nèi)，生物氧化都是在線粒體內(nèi)進(jìn)行，原核生物則在細(xì)胞膜上進(jìn)行。二、生物氧化的酶類和體系1.酶類：重要的為氧化酶和脫氫酶兩類，脫氫酶尤為重要。 氧化酶為含銅或鐵的蛋白質(zhì)，能激活分子氧，促進(jìn)氧對代謝物的直接氧化，只能以氧為受氫體，生成水。重要的有細(xì)胞色素氧化酶，可使還

10、原型氧化成氧化型，亦可將氫放出的電子傳遞給分子氧使其活化。心肌中含量甚多。此外還有過氧化物酶、過氧化氫酶等。 脫氫酶分需氧脫氫酶和不需氧脫氫酶。前者可激活代謝物分子中的氫，與分子氧結(jié)合，產(chǎn)生過氧化氫。在無分子氧時，可利用亞甲藍(lán)為受氫體。需氧脫氫酶皆以FMA或FAD為輔酶。不需氧脫氫酶可激活代謝物分子中的氫，使脫出的氫轉(zhuǎn)移給遞氫體或非分子氧。一般在無氧或缺氧環(huán)境下促進(jìn)代謝物氧化。大部分以NAD或NADP為輔酶。2.體系：有不需傳遞體和需傳遞體的兩種體系。 不需傳遞體的最簡單，在微粒體、過氧化酶體及胞液中代謝物經(jīng)氧化酶或需氧脫氫酶作用后脫出的氫給分子氧生成水或過氧化氫。其特點(diǎn)是不伴磷酸化，不生成A

11、TP，主要與體內(nèi)代謝物、藥物和毒物的生物轉(zhuǎn)化有關(guān)。需傳遞體的最典型的是呼吸鏈。是在線粒體經(jīng)多酶體系催化，即通過電子傳遞鏈完成，與ATP的生成相關(guān)。三、生物氧化中二氧化碳的生成生物氧化中CO2的生成是代謝中有機(jī)酸的脫羧反應(yīng)所致。有直接脫羧和氧化脫羧兩種類型。按脫羧基的位置又有-脫羧和-脫羧之分。請判斷以下脫羧反應(yīng)的類型？四、生物氧化中水的生成 （一）呼吸鏈的概念和類型代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)過一系列的傳遞體，最后與激活的氧結(jié)合生成水的全部體系，此過程與細(xì)胞呼吸有關(guān)，所以將此傳遞鏈稱為呼吸鏈（respiratory chain）或電子傳遞鏈（electron transfer cha

12、in）。 在呼吸鏈中，酶和輔酶按一定順序排列在線粒體內(nèi)膜上。其中傳遞氫的酶或輔酶稱為遞氫體，傳遞電子的酶或輔酶稱為電子傳遞體。遞氫體和電子傳遞體都起著傳遞電子的作用（2H2H+2e）。生物體內(nèi)的呼吸鏈有多種型式。人體細(xì)胞線粒體內(nèi)最重要的有兩條，即NADH氧化呼吸鏈和琥珀酸氧化呼吸鏈。它們的初始受氫體、生成ATP的數(shù)量及應(yīng)用有差別。NADH氧化呼吸鏈應(yīng)用最廣，糖、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)分解代謝中的脫氫氧化反應(yīng)，絕大多數(shù)是通過該呼吸鏈來完成的。琥珀酸氧化呼吸鏈在Q處與上述NADH氧化呼吸鏈途徑交匯。其脫氫黃酶只能催化某些代謝物脫氫，不能催化NADH或NADPH脫氫。（二）呼吸鏈的組成 組成呼吸鏈的成分

13、已發(fā)現(xiàn)20余種，分為5大類。1輔酶和輔酶輔酶（NAD+或Co）為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸。輔酶（NADP+或Co）為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。它們是不需氧脫氫酶的輔酶，分子中的煙酰胺部分，即維生素PP能可逆地加氫還原或脫氫氧化，是遞氫體。以NAD+作為輔酶的脫氫酶占多數(shù)。2黃素酶黃素酶的種類很多，輔基有2種，即FMN和FAD。FMN是NADH脫氫酶的輔基，F(xiàn)AD是琥珀酸脫氫酶的輔基，都是以核黃素為中心構(gòu)成的，其異咯嗪環(huán)上的第1位及第5位兩個氮原子能可逆地進(jìn)行加氫和脫氫反應(yīng)，為遞氫體。3.鐵硫蛋白分子中含有非血紅素鐵和對酸不穩(wěn)定的硫，因而常簡寫為FeS形式。在線粒體內(nèi)膜上，常與其他遞氫體或遞電子體構(gòu)

14、成復(fù)合物，復(fù)合物中的鐵硫蛋白是傳遞電子的反應(yīng)中心，亦稱鐵硫中心，與蛋白質(zhì)的結(jié)合是通過Fe與4個半胱氨酸的S相連接。 4.泛醌（又名輔酶Q）一類廣泛分布于生物界的脂溶性醌類化合物。分子中的苯醌為接受和傳遞氫的核心，其C-6上帶有異戊二烯為單位構(gòu)成的側(cè)鏈，在哺乳動物，這個長鏈為10個單位，故常以Q10表示。5.細(xì)胞色素類細(xì)胞色素（cytochrome, Cyt）是一類以鐵卟啉為輔基的結(jié)合蛋白質(zhì)，存在于生物細(xì)胞內(nèi)，因有顏色而得名。已發(fā)現(xiàn)的有30多種，按吸收光譜分a、b、c三類，每類又有好多種。Cyta和a3 結(jié)合緊，迄今尚未分開，故寫成aa3，位于呼吸鏈的終末部位，其輔基為血紅素A，傳遞電子的機(jī)制是

15、以輔基中鐵價的變化Fe3+ Fe2+，a3還含有銅離子，把電子直接交給分子氧Cu+ Cu2+，所以a3又稱細(xì)胞色素氧化酶。a3中的鐵原子可以與氧結(jié)合，也可以與氰化物離子（CN）、CO等結(jié)合，這種結(jié)合一旦發(fā)生，a3便失去使氧還原的能力，電子傳遞中止，呼吸鏈阻斷，導(dǎo)致機(jī)體不能利用氧而窒息死亡。（三）呼吸鏈中傳遞體的順序呼吸鏈中氫和電子的傳遞有著嚴(yán)格的順序和方向。根據(jù)氧化還原原理，氧化-還原電勢E是物質(zhì)對電子親和力的量度，電極電位的高低反映電子得失的傾向，E O值愈低的氧還對（A/AH2）釋放電子的傾向愈大，愈容易成為還原劑而排在呼吸鏈的前面。所以NADH還原能力最強(qiáng)，氧分子的氧化能力最強(qiáng)。電子的自

16、發(fā)流向是從電極電位低的物質(zhì)（還原態(tài)）到電位高的氧化態(tài)，目前一致認(rèn)可的是按標(biāo)準(zhǔn)氧還電位遞增值依次排列。電子由NADH的傳遞到氧分子通過3個大的蛋白質(zhì)復(fù)合體，即 NADH脫氫酶、細(xì)胞色素bc1復(fù)合體和細(xì)胞色素氧化酶到氧（又稱復(fù)合體、）。電子從FADH2的傳遞是通過琥珀酸-輔酶Q還原酶（復(fù)合體）經(jīng)Q、復(fù)合體、到氧（琥珀酸-輔酶Q還原酶催化的反應(yīng)的自由能變化太小）。第三節(jié) 氧化磷酸化一、氧化磷酸化的概念和偶聯(lián)部位 1.概念：氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）是指在生物氧化中伴隨著ATP生成的作用。有代謝物連接的磷酸化和呼吸鏈連接的磷酸化兩種類型。即ATP生成方式有兩種。一

17、種是代謝物脫氫后，分子內(nèi)部能量重新分布，使無機(jī)磷酸酯化先形成一個高能中間代謝物，促使ADP變成ATP。這稱為底物水平磷酸化。如3-磷酸甘油醛氧化生成1，3-二磷酸甘油酸，再降解為3-磷酸甘油酸。另一種是在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ATP的生成。生物體內(nèi)95%的ATP來自這種方式。2.偶聯(lián)部位：根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定氧的消耗量與ATP的生成數(shù)之間的關(guān)系以及計算氧化還原反應(yīng)中GO和電極電位差E的關(guān)系可以證明。P/O比值是指代謝物氧化時每消耗1摩爾氧原子所消耗的無機(jī)磷原子的摩爾數(shù)，即合成ATP的摩爾數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明， NADH在呼吸鏈被氧化為水時的P/O值約等于3，即生成3分子ATP；FADH2氧化的P/O值約等于

18、2，即生成2分子ATP。氧-還電勢沿呼吸鏈的變化是每一步自由能變化的量度。根據(jù)GO= - nFE O(n是電子傳遞數(shù),F是法拉第常數(shù))，從NADH到Q段電位差約0.36V，從Q到Cytc為0.21V，從aa3到分子氧為0.53V，計算出相應(yīng)的GO分別為69.5、40.5、102.3kJ/mol。于是普遍認(rèn)為下述3個部位就是電子傳遞鏈中產(chǎn)生ATP的部位。 NADHNADH脫氫酶Q 細(xì)胞色素bc1復(fù)合體Cytc aa3O2二、胞液中NADH的氧化 糖代謝中的三羧酸循環(huán)和脂肪酸-氧化是在線粒體內(nèi)生成NADH（還原當(dāng)量），可立即通過電子傳遞鏈進(jìn)行氧化磷酸化。在細(xì)胞的胞漿中產(chǎn)生的NADH ，如糖酵解生成

19、的NADH則要通過穿梭系統(tǒng)（shuttle system）使NADH的氫進(jìn)入線粒體內(nèi)膜氧化。 （一）-磷酸甘油穿梭作用 這種作用主要存在于腦、骨骼肌中，載體是-磷酸甘油。 胞液中的NADH在-磷酸甘油脫氫酶的催化下，使磷酸二羥丙酮還原為-磷酸甘油，后者通過線粒體內(nèi)膜，并被內(nèi)膜上的-磷酸甘油脫氫酶（以FAD為輔基）催化重新生成磷酸二羥丙酮和FADH2，后者進(jìn)入琥珀酸氧化呼吸鏈。葡萄糖在這些組織中徹底氧化生成的ATP比其他組織要少，1摩爾G36摩爾ATP。（二）蘋果酸-天冬氨酸穿梭作用主要存在肝和心肌中。1摩爾G38摩爾ATP胞液中的NADH在蘋果酸脫氫酶催化下，使草酰乙酸還原成蘋果酸，后者借助內(nèi)

20、膜上的-酮戊二酸載體進(jìn)入線粒體，又在線粒體內(nèi)蘋果酸脫氫酶的催化下重新生成草酰乙酸和NADH。NADH進(jìn)入NADH氧化呼吸鏈，生成3分子ATP。草酰乙酸經(jīng)谷草轉(zhuǎn)氨酶催化生成天冬氨酸，后者再經(jīng)酸性氨基酸載體轉(zhuǎn)運(yùn)出線粒體轉(zhuǎn)變成草酰乙酸。三、氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制 （一）化學(xué)滲透假說（chemiosmotic hypothesis） 1961年，英國學(xué)者Peter Mitchell提出化學(xué)滲透假說（1978年獲諾貝爾化學(xué)獎），說明了電子傳遞釋出的能量用于形成一種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度（H+梯度），這種梯度驅(qū)動ATP的合成。這一過程概括如下：1.NADH的氧化，其電子沿呼吸鏈的傳遞，造成H+ 被3個H+ 泵

21、，即NADH脫氫酶、細(xì)胞色素bc1復(fù)合體和細(xì)胞色素氧化酶從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜泵入膜間隙。2.H+ 泵出，在膜間隙產(chǎn)生一高的H+ 濃度，這不僅使膜外側(cè)的pH較內(nèi)側(cè)低（形成pH梯度），而且使原有的外正內(nèi)負(fù)的跨膜電位增高，由此形成的電化學(xué)質(zhì)子梯度成為質(zhì)子動力，是H+ 的化學(xué)梯度和膜電勢的總和。3.H+ 通過ATP合酶流回到線粒體基質(zhì)，質(zhì)子動力驅(qū)動ATP合酶合成ATP。 （二）ATP合酶ATP合酶由兩部分組成（Fo-F1），球狀的頭部F1突向基質(zhì)液，水溶性。亞單位Fo埋在內(nèi)膜的底部，是疏水性蛋白，構(gòu)成H+ 通道。在生理?xiàng)l件下，H+ 只能從膜外側(cè)流向基質(zhì)，通道的開關(guān)受柄部某種蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)。四、影響氧化磷

22、酸化的因素 （一）抑制劑能阻斷呼吸鏈某一部位電子傳遞的物質(zhì)稱為呼吸鏈抑制劑。魚藤酮、安密妥在NADH脫氫酶處抑制電子傳遞，阻斷NADH的氧化，但FADH2的氧化仍然能進(jìn)行。 抗霉素A抑制電子在細(xì)胞色素bc1復(fù)合體處的傳遞。 氰化物、CO、疊氮化物（N3-）抑制細(xì)胞色素氧化酶。 對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用的物質(zhì)稱氧化磷酸化抑制劑，如寡霉素。（二）解偶聯(lián)劑 2，4-二硝基苯酚（DNP）和頡氨霉素可解除氧化和磷酸化的偶聯(lián)過程，使電子傳遞照常進(jìn)行而不生成ATP。DNP的作用機(jī)制是作為H+的載體將其運(yùn)回線粒體內(nèi)部，破壞質(zhì)子梯度的形成。由電子傳遞產(chǎn)生的能量以熱被釋出。 （三）ADP的調(diào)節(jié)作用正常

23、機(jī)體氧化磷酸化的速率主要受ADP水平的調(diào)節(jié)，只有ADP被磷酸化形成ATP，電子才通過呼吸鏈流向氧。如果提供ADP，隨著ADP的濃度下降，電子傳遞進(jìn)行，ATP在合成，但電子傳遞隨ADP濃度的下降而減緩。此過程稱為呼吸控制，這保證電子流只在需要ATP合成時發(fā)生。第五章 糖代謝教學(xué)目標(biāo)：1.掌握糖類的結(jié)構(gòu)、生理功能和酶促降解有關(guān)酶類。2.掌握糖酵解、有氧氧化的基本過程、限速酶、ATP的生成、生理意義與調(diào)節(jié)。3.了解磷酸戊糖途徑的基本過程、生理意義。4.熟悉糖的合成反應(yīng)基本過程,掌握糖異生的概念與反應(yīng)過程、關(guān)鍵酶、生理意義及調(diào)節(jié)。導(dǎo)入：糖是自然界分布廣泛，數(shù)量最多的有機(jī)化合物。尤以植物含量最多，約為8

24、5%95%。糖在生命活動中主要作用是提供能量和碳源。人體所需能量的50%70%來自于糖。食物中的糖類主要是淀粉，被機(jī)體消化成其基本組成單位葡萄糖后，以主動的方式被吸收入血。本章重點(diǎn)討論葡萄糖在機(jī)體內(nèi)的代謝。第一節(jié) 概論一、糖類的結(jié)構(gòu)與功能1.糖類的結(jié)構(gòu)糖定義為多羥基醛、酮及其縮聚物和某些衍生物。有單糖、寡糖、多糖和復(fù)合糖類。單糖是糖結(jié)構(gòu)的單體，可用一個經(jīng)驗(yàn)公式（CH2O）n 表示。一般分為醛糖和酮糖兩類。最簡單的三碳糖是甘油醛和二羥基丙酮。醛糖中氧化數(shù)最高的碳原子指定為C-1，酮糖中氧化數(shù)最高的碳原子指定為C-2，除最簡單的二羥丙酮外，都是手性分子。醛糖中手性碳的數(shù)目為n-2，異構(gòu)體的數(shù)目為2

25、n-2。糖的構(gòu)型有D型和L型。D型糖是指具有最高編號的手性碳，即離羰基碳最遠(yuǎn)的手性碳連接的- OH在Fischer投影式中是朝向右的。醛糖和酮糖可以形成環(huán)式的半縮醛。有5員環(huán)或6員環(huán)結(jié)構(gòu)，稱為呋喃糖或吡喃糖。環(huán)化單糖中氧化數(shù)最高的碳原子稱異頭碳，是手性碳，又有 、兩個新異構(gòu)體（稱為異頭物）。在溶液中，有能力形成環(huán)結(jié)構(gòu)的醛糖和酮糖，它們不同的環(huán)式和開鏈?zhǔn)教幱谄胶庵?。單糖存在不同的?gòu)象。對于每個吡喃糖，都存在6種不同的船式構(gòu)象和2種不同的椅式構(gòu)象。在椅式構(gòu)象中可以使環(huán)內(nèi)原子的立體排斥減到最小，所以椅式構(gòu)象比船式更穩(wěn)定。單糖可以通過糖苷鍵形成寡糖和多糖。最常見的糖苷鍵是-1，4和-1，4，另一種糖苷

26、鍵-1，6出現(xiàn)在支鏈淀粉和糖原分子中。4種重要的雙糖有麥芽糖（-1，4）、纖維二糖（-1，4）、乳糖和蔗糖。乳糖是纖維二糖的差向異構(gòu)體，是奶中的主要糖分。許多植物可合成蔗糖，它是自然界中發(fā)現(xiàn)的最豐富的糖（無還原性和變旋現(xiàn)象）。淀粉、糖原是葡萄糖的同多糖。淀粉是植物和真菌中的儲存多糖，糖原是在動物和細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的儲存多糖。纖維素和幾丁質(zhì)是結(jié)構(gòu)同多糖。直鏈淀粉含-1，4糖苷鍵，支鏈淀粉和糖原中除含-1，4糖苷鍵外，在分支點(diǎn)上還有-1，6糖苷鍵。糖原分子一般比淀粉分子大，分支多，但側(cè)鏈含有的葡萄糖殘基較少。纖維素中的葡萄糖殘基通過-1，4糖苷鍵連接。幾丁質(zhì)的單糖單位是-1，4糖苷鍵連接的N-乙酰葡萄糖

27、胺。單糖和大多數(shù)多糖是還原糖。都含有一個可反應(yīng)的羰基，容易被較弱的氧化劑（如Fe3+或Cu2+）氧化。一個糖聚合物的還原能力，根據(jù)寡糖和多糖的聚合鏈的還原端和非還原端判斷，在一個線形的聚合糖中，有一個還原端殘基（含游離異頭碳的殘基）和一個非還原端殘基。一個帶支鏈的多糖含有很多非還原端，但只有一個還原端。 2.糖的生理功能1摩爾的葡萄糖完全氧化為CO2和H2O可釋放2840kJ（679kcal）的能量，其中約40%轉(zhuǎn)移至ATP，供機(jī)體生理活動能量之需。糖類代謝的中間產(chǎn)物可為氨基酸、核苷酸、脂肪酸、類固醇的合成提供碳原子或碳骨架。如糖的磷酸衍生物可以形成許多重要的生物活性物質(zhì)，如NAD+、FAD、

28、ATP等。糖決定了人的血型，一個血球細(xì)胞的表面有50萬個糖蛋白分子。糖是細(xì)胞膜上“受體”分子的組成部分，是細(xì)胞識別、信息傳遞的參與者。由于單糖有異構(gòu)物、異頭物和多羥基等特點(diǎn)，可以形成種類繁多的不同結(jié)構(gòu)，以致糖鏈的生物信息容量超過肽鏈和多核苷酸鏈。二、多糖和低聚糖的酶促降解糖代謝指糖在生物體內(nèi)的分解與合成。是研究最早，代謝途徑了解最祥細(xì)的。分解代謝包括多糖和低聚糖的酶促降解和單糖的氧化放能過程。合成代謝指綠色植物和光合微生物的光合作用合成葡萄糖，進(jìn)而合成淀粉。對于人和動物來說，則是利用葡萄糖合成糖原或利用非糖物轉(zhuǎn)化為糖。多糖和低聚糖在被生物體利用之前必須水解成單糖。 1.淀粉（或糖原）的酶促降解

29、人類食物中的糖主要有淀粉、糖原、麥芽糖、蔗糖、乳糖、葡萄糖、果糖及纖維素等，一般以淀粉為主。水解淀粉和糖原的酶有、淀粉酶（只表示兩種酶，不表示任何構(gòu)型關(guān)系）。-淀粉酶主要存在于動物體（唾液和胰液中），-淀粉酶主要存在于植物種子和塊根內(nèi)。它們均作用于-1，4糖苷鍵，但后者只能從非還原端水解。水解產(chǎn)物是麥芽糖。水解淀粉中-1，6糖苷鍵的酶是-1，6糖苷鍵酶，如植物中的R-酶和小腸粘膜的-糊精酶。小腸粘膜細(xì)胞還有寡糖酶和雙糖酶，如麥芽糖酶、乳糖酶、蔗糖酶等，屬于糖苷酶類。淀粉和糖原在細(xì)胞內(nèi)的降解是經(jīng)磷酸化酶的磷酸解作用生成葡糖-1-磷酸，再經(jīng)葡聚糖轉(zhuǎn)移酶和糖原脫支酶除去-1，6分支，產(chǎn)生的G-1-P

30、由磷酸葡萄糖變位酶轉(zhuǎn)化為G-6-P。G-6-P的命運(yùn)決定于組織，肝臟含G-6-P酶，使其轉(zhuǎn)化為G，葡萄糖是血糖的主要來源，正常人在安靜空腹（停食1214h）狀態(tài)下，血糖濃度是較恒定的，一般在4.46.7mmol/L之間，所以肝糖原用于維持血糖水平。而肌肉組織不含G-6-P酶，肌糖原不能分解成葡萄糖，只能進(jìn)行糖酵解或有氧氧化。2.纖維素的酶促降解 人的消化道無水解纖維素的酶 ( 細(xì)菌、真菌、放線菌、原生動物等能產(chǎn)生纖維素酶及纖維二糖酶，水解纖維素成葡萄糖 )，但纖維素促進(jìn)腸道蠕動，有防止便秘的功用。第二節(jié) 糖的分解代謝一、糖的分解特點(diǎn)和途徑1.糖的分解在有氧和無氧下均可進(jìn)行,無氧分解不徹底，有氧

31、分解是其繼續(xù),最終分解產(chǎn)物是CO2、H2O和能量。2.糖的分解先要活化，無氧下的分解以磷酸化方式活化；有氧下，以?；癁橹鳌?.在動物和人體內(nèi)，糖的分解途徑主要有3條：糖酵解（葡萄糖丙酮酸乳酸）；檸檬酸循環(huán)（丙酮酸 乙酰輔酶ACO2+H2O）；戊糖磷酸途徑（葡萄糖核糖-5-磷酸CO2+H2O）。植物體中乙醛酸循環(huán)是檸檬酸循環(huán)的支路。二、糖酵解（一）概念和部位糖酵解(glycolysis)是無氧條件下，葡萄糖降解成丙酮酸并有ATP生成的過程。它是生物細(xì)胞普遍存在的代謝途徑，涉及十個酶催化反應(yīng)，均在胞液。（二）反應(yīng)過程和關(guān)鍵酶1.己糖激酶（hexokinase）催化葡萄糖生成G-6-P，消耗一分子

32、ATP。己糖激酶（HK）分布較廣，而葡萄糖激酶（GK）只存在于肝臟，這是第一個關(guān)鍵酶催化的耗能的限速反應(yīng)。若從糖原開始，由磷酸化酶和脫支酶催化生成G-1-P，再經(jīng)變位酶轉(zhuǎn)成G-6-P。2.G-6-P異構(gòu)酶催化G-6-P轉(zhuǎn)化為F-6-P。3.磷酸果糖激酶（PFK-）催化F-6-P磷酸化生成F-1，6-DP，消耗一分子ATP。這是第二個關(guān)鍵酶催化的最主要的耗能的限速反應(yīng)。4.醛縮酶裂解F-1，6-DP為磷酸二羥丙酮和甘油醛-3-磷酸。平衡有利于逆反應(yīng)方向，但在生理?xiàng)l件下甘油醛-3-磷酸不斷轉(zhuǎn)化成丙酮酸，驅(qū)動反應(yīng)向裂解方向進(jìn)行。5.丙糖磷酸異構(gòu)酶催化甘油醛-3-磷酸和磷酸二羥丙酮的相互轉(zhuǎn)換。6.甘油

33、醛-3-磷酸脫氫酶催化甘油醛-3-磷酸氧化為1，3 -二磷酸甘油酸。這是酵解中唯一的一步氧化反應(yīng)，是由一個酶催化的脫氫和磷酸化兩個相關(guān)反應(yīng)。反應(yīng)中一分子NAD+被還原成NADH，同時在 1，3-二磷酸甘油酸中形成一個高能酸酐鍵，為在下一步酵解反應(yīng)中使ADP變成ATP。7.磷酸甘油酸激酶催化1，3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸。反應(yīng)（6）和反應(yīng)（7）聯(lián)合作用，將一個醛氧化為一個羧酸的反應(yīng)與ADP磷酸化生成ATP偶聯(lián)。這種通過一高能化合物將磷?；D(zhuǎn)移ADP形成ATP的過程稱為底物水平磷酸化。底物水平磷酸化不需氧，是酵解中形成ATP的機(jī)制。8.磷酸甘油酸變位酶催化 3-磷酸甘油酸轉(zhuǎn)化為2-磷酸甘油

34、酸9.烯醇化酶催化2-磷酸甘油酸生成磷酸烯醇式丙酮酸（PFP）。PFP具有很高的磷?；D(zhuǎn)移潛能，其磷酰基是以一種不穩(wěn)定的烯醇式互變異構(gòu)形式存在的。10.丙酮酸激酶催化PFP生成丙酮酸和ATP。這是第三個關(guān)鍵酶催化的限速反應(yīng)。也是第二次底物水平磷酸化反應(yīng)。丙酮酸是酵解中第一個不再被磷酸化的化合物。其去路：在大多數(shù)情況下，可通過氧化脫羧形成乙酰輔酶A進(jìn)入檸檬酸循環(huán)；在某些環(huán)境條件（如肌肉劇烈收縮），乳酸脫氫酶可逆地將丙酮酸還原為乳酸；在酵母，厭氧條件下經(jīng)丙酮酸脫羧酶和乙醇脫氫酶催化，丙酮酸轉(zhuǎn)化成乙醇（酒精發(fā)酵）。葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+ 2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H+2H2O葡

35、萄糖+2Pi+2ADP+2H+ 2乳酸+2ATP+2H2O葡萄糖+2Pi+2ADP+2H+ 2乙醇+2CO2+2ATP+2H2O（三）糖酵解能量的估算和生理意義在體外，1mol葡萄糖2mol乳酸，GO= 196kJ/mol 1mol糖原2mol乳酸， GO= 183kJ/mol 在機(jī)體內(nèi)，生成 2molATP相當(dāng)捕獲2×30.514=61.028 kJ/mol葡萄糖酵解獲能效率=2×30.514/196×100% = 31%糖原酵解獲能效率=3×30.514/196×100% = 49.7%糖酵解是生物界普遍存在的供能途徑，其生理意義是為機(jī)體在

36、無氧或缺氧條件下（應(yīng)激狀態(tài)）提供能量滿足生理需要。例如，劇烈運(yùn)動時，肌肉內(nèi)ATP大量消耗，糖酵解加速可迅速得到ATP；成熟的紅細(xì)胞沒有線粒體，完全靠糖酵解供能；神經(jīng)細(xì)胞、白細(xì)胞、骨髓、視網(wǎng)膜細(xì)胞代謝極為活躍，不缺氧時亦由糖酵解提供部分能量。（四）糖酵解的調(diào)控糖酵解三個主要調(diào)控部位，分別是己糖激酶、果糖磷酸激酶（PFK）和丙酮酸激酶催化的反應(yīng)。HK被G-6-P變構(gòu)抑制，這種抑制導(dǎo)致G-6-P的積累，酵解作用減弱。但G-6-P可轉(zhuǎn)化為糖原及戊糖磷酸，因此HK不是最關(guān)鍵的限速酶。PFK被ATP變構(gòu)抑制，但這種抑制作用被AMP逆轉(zhuǎn)，這使糖酵解對細(xì)胞能量需要得以應(yīng)答。當(dāng)ATP供應(yīng)短缺（和AMP充足）時，

37、加快速度，生成更多的ATP， ATP足夠時就減慢速度。檸檬酸可增加ATP對酶的抑制作用；F-2，6-DP可消除ATP對酶的抑制效應(yīng)，使酶活化。PFK被H+抑制，可防止肌乳酸過量導(dǎo)致的血液酸中毒。丙酮酸激酶被F-1，6-DP活化，加速酵解。ATP、丙氨酸變構(gòu)抑制此酶。三、糖的有氧分解（一）概念和部位葡萄糖的有氧分解是從葡萄糖到丙酮酸經(jīng)三羧酸循環(huán)（TCA），徹底氧化生成CO2、H2O和釋放大量能量的過程。是在細(xì)胞的胞液和線粒體兩個部位進(jìn)行的。（二）反應(yīng)過程和關(guān)鍵酶整個過程可分為三個階段：第一階段是葡萄糖分解為丙酮酸，在胞液進(jìn)行。與酵解反應(yīng)過程所不同的是3- 磷酸甘油醛脫氫生成的NADH進(jìn)入線粒體氧

38、化。第二階段是丙酮酸進(jìn)入線粒體氧化脫羧生成乙酰CoA。丙酮酸脫氫酶系是由3種酶和5種輔助因子組成的多酶復(fù)合體，是關(guān)鍵酶。整個過程中無游離的中間產(chǎn)物，是個不可逆的連續(xù)過程。第三階段是檸檬酸循環(huán)（又稱三羧酸循環(huán)或 Krebs循環(huán)，1937年提出，1953年獲諾貝爾獎）。此循環(huán)有8步酶促反應(yīng)：1.檸檬酸合成酶催化乙酰CoA與草酰乙酸縮合成檸檬酸和CoASH。是第一個關(guān)鍵酶催化的限速反應(yīng)。2.順烏頭酸酶催化檸檬酸異構(gòu)成異檸檬酸。3.異檸檬酸在異檸檬酸脫氫酶的催化下生成草酰琥珀酸，再脫羧生成-酮戊二酸。此步是第一次氧化脫羧，異檸檬酸脫氫酶是第二個關(guān)鍵酶。4.- 酮戊二酸由- 酮戊二酸脫氫酶系催化氧化脫羧

39、生成琥珀酰CoA。此酶系由3種酶和5種輔助因子組成，是第三個關(guān)鍵酶催化的第二次氧化脫羧。5.琥珀酰CoA在琥珀酰硫激酶催化下生成琥珀酸。這是循環(huán)中惟一的一次底物水平磷酸化，GDP磷酸化形成GTP。6.琥珀酸在琥珀酸脫氫酶催化下氧化為延胡索酸。這是第三步脫氫，生成FADH2。7.延胡索酸在延胡索酸酶作用下水化形成蘋果酸。8.蘋果酸在蘋果酸脫氫酶催化下氧化為草酰乙酸。這是第四步脫氫，生成NADH+H+一次三羧酸循環(huán)過程，可歸結(jié)為一次底物水平磷酸化，二次脫羧，三個關(guān)鍵酶促反應(yīng)，四步脫氫氧化反應(yīng)。每循環(huán)一次產(chǎn)生12分子ATP，總反應(yīng)：乙酰CoA+2H2O+3NAD+ +FAD+ADP+Pi2CO2+3

40、NADH+3H+FADH2+CoASH+ATP（三）能量的估算和生理意義在體外，1mol 葡萄糖CO2+H2O，GO= 2840kJ/mol。體內(nèi)總反應(yīng)：葡萄糖+6O2+36/38ADP+36/38Pi6 CO2+42/44H2O+36/38ATP第一階段生成6或8分子ATP，即 1分子葡萄糖生成2分子丙酮酸、2分子ATP、2分子NADH+H+（1分子NADH+H+在胞液轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體氧化，經(jīng)不同的轉(zhuǎn)運(yùn)方式，可生成2或3分子ATP）。第二階段是6ATP，即 2分子丙酮酸氧化脫羧生成2分子乙酰CoA與2分子NADH+H+ ，后者經(jīng)電子傳遞鏈生成6ATP。第三階段是24ATP，即 2分子乙酰CoA經(jīng)

41、三羧酸循環(huán)生成2×12 = 24ATP。葡萄糖有氧氧化的獲能效率 = 38×30.5/2840×100% = 40%糖的有氧氧化生理意義：為機(jī)體提供更多的能量，是機(jī)體利用糖和其他物質(zhì)氧化而獲得能量的最有效方式。三羧酸循環(huán)是糖、脂、蛋白質(zhì)三大營養(yǎng)物質(zhì)最終代謝通路和轉(zhuǎn)化的樞紐。糖轉(zhuǎn)變成脂是最重要的例子。三羧酸循環(huán)在提供某些物質(zhì)生物合成的前體中起重要作用。（四）三羧酸循環(huán)的調(diào)控三羧酸循環(huán)在細(xì)胞代謝中占據(jù)中心位置，受到嚴(yán)密的調(diào)控。丙酮酸脫氫酶復(fù)合物催化的反應(yīng)是進(jìn)入三羧酸循環(huán)的必經(jīng)之路，可通過變構(gòu)效應(yīng)和共價修飾兩種方式進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，乙酰CoA及 NADH+H+ 對酶有反饋抑

42、制作用。三羧酸循環(huán)中3個不可逆反應(yīng)是調(diào)節(jié)部位。關(guān)鍵酶的活性受ATP、檸檬酸、NADH的反饋抑制；異檸檬酸脫氫酶和-酮戊二酸脫氫酶是主要的調(diào)節(jié)點(diǎn)，ADP是異檸檬酸脫氫酶的變構(gòu)激活劑。四、乙醛酸循環(huán)在植物和某些微生物存在異檸檬酸裂解酶和蘋果酸合成酶，勾通了三羧酸循環(huán)支路。該途徑可以利用乙酰CoA生成用于糖異生和其它生物合成途徑中的四碳中間產(chǎn)物。有些微生物具有乙酰CoA合成酶，能利用乙酸作為惟一碳源建造自己的機(jī)體。乙酸在輔酶A、ATP及該酶的參與下活化成乙酰CoA，而進(jìn)入乙醛酸循環(huán)。油料種子萌發(fā)時脂轉(zhuǎn)化為糖就是通過該途徑進(jìn)行的。五、戊糖磷酸途徑（一）概念和部位葡萄糖經(jīng)G-6-P生成磷酸戊糖、NADP

43、H及CO2的過程。因從G-6-P開始，又稱己糖磷酸支路（HMS）。在胞液中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)證明碘乙酸能抑制甘油醛-3-磷酸脫氫酶，使酵解和有氧氧化途徑均停止，但糖的分解仍可進(jìn)行，在肝臟、脂肪、乳腺、腎上腺皮質(zhì)和骨髓等組織，該途徑是活躍的。（二）反應(yīng)過程1.氧化階段 從G-6-P開始，經(jīng)過脫氫、脫羧反應(yīng)生成5-磷酸核酮糖、2分子NADPH+H+及1分子CO2。G-6-P脫氫酶的活性決定G-6-P進(jìn)入代謝途徑的流量，為限速酶。NADPH/NADP+比例升高。反應(yīng)受抑制；反之，被激活。2.非氧化階段 磷酸戊糖分子經(jīng)過異構(gòu)化互變，3種戊糖（5-磷酸核酮糖、5-磷酸核糖、5-磷酸木酮糖）由轉(zhuǎn)酮酶和轉(zhuǎn)醛酶催化，

44、產(chǎn)生3C、4C、5C、6C、7C糖的中間產(chǎn)物，最終生成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛，與糖酵解相連接?？偡磻?yīng)式：6G-6-P+12NADP+7H2O 5G-6-P+12NADPH+12H+6CO2+Pi（三）生理意義雖非生物體氧化供能的主要方式，確有兩個重要的功能。一是提供NADPH用于需要還原力的生物合成反應(yīng)。二是提供5-磷酸核糖，用于核苷酸和核酸的生物合成。第三節(jié) 糖的合成代謝一、蔗糖和淀粉的合成 自然界的糖類起源光合作用，綠色植物的葉綠素、藻類和光合細(xì)菌能捕獲太陽能用于驅(qū)動二氧化碳和水合成糖類。植物的光合作用包括光反應(yīng)和暗反應(yīng)。光反應(yīng)產(chǎn)生ATP和NADPH；暗反應(yīng)亦稱固碳反應(yīng)，通過卡爾文循

45、環(huán)將CO2、NADPH、ATP合成甘油醛-3-磷酸，最終產(chǎn)物是蔗糖和淀粉。 （一）蔗糖的合成蔗糖在植物界分布最廣，不僅是重要的光合作用產(chǎn)物和高等植物的主要成份，又是糖在植物體中運(yùn)輸?shù)闹饕问健?在葉綠體中由卡爾文循環(huán)產(chǎn)生的甘油醛-3-磷酸被運(yùn)送到胞質(zhì)溶膠用于合成蔗糖。甘油醛-3-磷酸轉(zhuǎn)化為F-6-P和G-1-P（基本是糖酵解的逆反應(yīng)）；隨后，G-1-P轉(zhuǎn)變?yōu)閁DP-G，它與F-6-P經(jīng)磷酸蔗糖合成酶催化生成蔗糖-6-磷酸，再由專一的磷酸酯酶脫磷酸形成蔗糖。（二）淀粉的合成淀粉在葉綠體子座中產(chǎn)生并在子座中以淀粉顆粒儲存。合成途徑包括由卡爾文循環(huán)產(chǎn)生的甘油醛-3-磷酸轉(zhuǎn)變?yōu)镚-1-P，再合成核苷酸的糖衍生物ADP-G、CDP-G、GDP-G；隨后，在引物分子上經(jīng)轉(zhuǎn)葡糖苷酶催化進(jìn)行合成直鏈淀粉，再在Q酶作用下生成-1，6-糖苷鍵，形成支鏈。二、糖原的合成葡萄糖等單糖合成糖原的過程稱為糖原的合成。糖原合成是在糖原