公卫执业医师生物化学辅导：糖代谢(2)
二、糖有氧氧化
葡萄糖的有氧氧化包括四个阶段。
①糖酵解产生丙酮酸(2丙酮酸、 2ATP、2NADH)
②丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA 2×(CO2、NADH)
③三羧酸循环 2×(2CO2、ATP、3NADH、FADH2)
④呼吸链氧化磷酸化 (NADH-----ATP)
三羧酸循环：乙酰CoA经一系列的氧化、脱羧，最终生成CO2、H2O、并释放能量的过程，又称柠檬酸循环、Krebs循环。
原核生物：①~④阶段在胞质中
真核生物：①在胞质中，②~④在线粒体中
1、丙酮酸脱羧生成乙酰CoA。此反应在真核细胞的线粒体基质中进行，这是连接糖酵解与TCA的中心环节。
1) 丙酮酸脱氢酶系：丙酮酸脱氢酶系是一个十分庞大的多酶体系，位于线粒体膜上，电镜下可见。
E.coli丙酮酸脱氢酶复合体：
分子量：4.5×106，直径45nm，比核糖体稍大。
酶 辅酶 每个复合物亚基数
丙酮酸脱羧酶(E1) TPP 24
二氢硫辛酸转乙酰酶(E2) 硫辛酸 24
二氢硫辛酸脱氢酶(E3) FAD、NAD+ 12
此外，还需要CoA、Mg2+作为辅因子。这些肽链以非共价键结合在一起，在碱性条件下，复合体可以解离成相应的亚单位，在中性时又可以重组为复合体。所有丙酮酸氧化脱羧的中间物均紧密结合在复合体上，活性中间物可以从一个酶活性位置转到另一个酶活性位置，因此，多酶复合体有利于高效催化反应及调节酶在反应中的活性。
2) 反应步骤：
(1)丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP
(2)二氢硫辛酸乙酰转移酶(E2)使羟乙基氧化成乙酰基
(3)E2将乙酰基转给CoA，生成乙酰-CoA
(4)E3氧化E2上的还原型二氢硫辛酸
(5)E3还原NAD+生成NADH
3) 丙酮酸脱氢酶系的活性调节：从丙酮酸到乙酰CoA是代谢途径的分支点，此反应体系受到严密的调节控制，此酶系受两种机制调节。
(1)可逆磷酸化的共价调节：
丙酮酸脱氢酶激酶(EA)(可被ATP激活)
丙酮酸脱氢酶磷酸酶(EB)
磷酸化的丙酮酸脱氢酶(无活性)
去磷酸化的丙酮酸脱氢酶(有活性)
(2)别构调节：ATP、CoA、NADH是别构抑制剂。ATP抑制E1;CoA抑制E2;NADH抑制E3。
4) 能量变化：1分子丙酮酸生成1分子乙酰CoA，产生1分子NADH(3ATP)。
2、 三羧酸循环(TCA)的过程
TCA循环：每轮循环有2个C原子以乙酰CoA形式进入，有2个C原子完全氧化成CO2放出，分别发生4次氧化脱氢，共释放12ATP。
1) 反应步骤
(1)、 乙酰CoA+草酰乙酸→柠檬酸
柠檬酸合酶，TCA中第一个调节酶：受ATP、NADH、琥珀酰CoA、和长链脂肪酰CoA的抑制;受乙酰CoA、草酸乙酸激活。氟乙酰CoA可与草酰乙酸生成氟柠檬酸，抑制下一步反应的酶，据此，可以合成杀虫剂、灭鼠药。
(2)、 柠檬酸→异柠檬酸
由顺鸟头酸酶催化
(3)、 异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸和NADH
异柠檬酸脱氢酶，这是三羧酸循环中第一次氧化脱羧反应， TCA中第二个调节酶：Mg2+(Mn2+ )、NAD+和ADP可活化此酶，NADH和ATP可抑制此酶活性。细胞在高能状态：ATP/ADP、NADH/NAD+比值高时，酶活性被抑制。线粒体内有二种异柠檬酸脱氢酶，一种以NAD+为电子受体，另一种以NADP+为受体。前者只在线粒体中，后者在线粒体和胞质中都有。
(4)、 α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA和NADH
α-酮戊二酸脱氢酶系，TCA循环中的第三个调节酶：受NADH、琥珀酰CoA、Ca2+、ATP、GTP抑制，α-酮戊二酸脱氢酶系为多酶复合体，与丙酮酸脱氢酶系相似(先脱羧，后脱氢)
(5)、 琥珀酰CoA生成琥珀酸和GTP
琥珀酰CoA合成酶(琥珀酸硫激酶)，这是TCA中唯一的底物水平磷酸化反应，直接生成GTP。在高等植物和细菌中，硫酯键水解释放出的自由能，可直接合成ATP。在哺乳动物中，先合成GTP，然后在核苷二磷酸激酶的作用下，GTP转化成ATP。
(6)、 琥珀酸脱氢生成延胡索酸(反丁烯二酸)和FADH
琥珀酸脱氢酶是TCA循环中唯一嵌入线粒体内膜的酶。丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂，可阻断三羧酸循环。
(7)、 延胡索酸水化生成L-苹果酸
延胡索酸酶具有立体异构特性，OH只加入延胡索酸双键的一侧，因此只形成L-型苹果酸。
(8)、 L-苹果酸脱氢生成草酰乙酸和NADH
L-苹果酸脱氢酶，平衡有利于逆反应，但生理条件下，反应产物草酰乙酸不断合成柠檬酸，其在细胞中浓度极低，少于10-6mol/L，使反应向右进行。
2) TCA循环小结
(1)、总反应式：
丙酮酸 + 4NAD+ + FAD + GDP → 4NADH + FADH2 + GTP + 3CO2 + H2O
乙酰CoA + 3NAD+ + FAD + GDP → 3NADH + FADH2 + GTP + 2CO2 + H2O
(2)、 一次底物水平的磷酸化、二次脱羧反应，三个调节位点，四次脱氢反应。
3个NADH、1个FADH2进入呼吸链
(3)、 三羧酸循环中碳骨架的不对称反应
同位素标记表明，乙酰CoA上的两个C原子在第一轮TCA上并没有被氧化。
被标记的羰基碳在第二轮TCA中脱去。在第三轮TCA中，两次脱羧，可除去最初甲基碳的50%，以后每循环一次，脱去余下甲基碳的50%
3) 一分子Glc彻底氧化产生的ATP数量(按NADH的P/O=3,FADH2的为2来计算)
(在肝脏中)
反应 酶 ATP消耗 产生ATP方式 ATP数量 合计
糖 酵 解 已糖激酶 1 -1 8
磷酸果糖激酶 1 -1
磷酸甘油醛脱氢酶 NADH呼吸链氧化磷酸化 2×3
磷酸甘油酸激酶 底物水平磷酸化 2×1
丙酮酸激酶 底物水平磷酸化 2×1
TCA 丙酮酸脱氢酶复合物 NADH 2×3 30
异柠檬酸脱氢酶 NADH 2×3
α-酮戊二酸脱氢酶复合物 NADH 2×3
琥珀酸脱氢酶 FADH2 2×2
苹果酸脱氢酶 NADH 2×3
琥珀酰CoA合成酶 底物水平磷酸化 2×1
净产生：38ATP
在骨骼肌、脑细胞中，净产生：36ATP
甘油磷酸穿梭，1个NADH生成2个ATP
苹果酸穿梭，1个NADH生成3个ATP
(1)、 磷酸甘油穿梭机制：
磷酸二羟丙酮+NADH+H+→3-磷酸甘油+NAD+
3-磷酸甘油进入线粒体，将2H交给FAD而生成FADH2，FADH2可传递给辅酶Q，进入呼吸链，产生2ATP(3-磷酸甘油脱氢酶的辅酶是FAD)。
(2)、 苹果酸穿梭机制：
胞液中NADH可经苹果酸酶催化，使草酰乙酸还原成苹果酸，再通过苹果酸-α-酮戊二酸载体转运，进入线粒体，由线粒体内苹果酸脱氢酶催化，生成NADH和草酰乙酸，NADH进入呼吸链氧化，生成3ATP。(苹果酸脱氢酶的辅酶是NAD+)
1分子Glc在肝、心中完全氧化，产生38ATP，在骨骼肌、神经系统组织中，产生36ATP。
4) 三羧酸循环的代谢调节
(1)、 柠檬酸合酶(限速酶)：受ATP、NADH、琥珀酰CoA及脂酰CoA抑制。
受乙酰CoA、草酰乙酸激活
(2)、 异柠檬酸脱氢酶：NADH、ATP可抑制此酶，ADP可活化此酶，当缺乏ADP时就失去活性。
(3)、 α-酮戊二酸脱氢酶：受NADH和琥珀酰CoA抑制。
5) TCA的生物学意义
(1) 氧化提供能量。线粒体外的NADH，可通过3-磷酸甘油穿梭和苹果酸穿梭机制，运到线粒体内，经呼吸链再氧化，这两种机制在不同组织的细胞中起作用。
(2) TCA是生物体内其它有机物氧化的主要途径，如脂肪、氨基酸、糖
(3) TCA是物质代谢的枢纽。一方面，TCA是糖、脂肪、氨基酸等彻底氧化分解的共同途径;另一方面，循环中生成的草酰乙酸、α-酮戊二酸、柠檬酸、琥珀酰CoA和延胡索酸等又是合成糖、氨基酸、脂肪酸、卟啉等的原料，因而TCA将各种有机物的代谢联系起来。TCA是联系体内三大物质代谢的中心环节，为合成其它物质提供C架。
6) TCA的回补反应
三羧酸循环中间物的的回补：在TCA循环中，有些中间产物是合成其它物质的前体，如卟啉的主要碳原子来自琥珀酰CoA，Glu、Asp可以从α-酮戊二酸和草酰乙酸衍生而成，一旦草酰乙酸浓度下降，则会影响TCA循环，因此这些中间产物必须不断补充，以维持TCA循环。
产生草酰乙酸的途径有三个：
(1)、 丙酮酸羧化酶催化丙酮酸生成草酰乙酸
丙酮酸羧化酶是一个调节酶，乙酰CoA可以增加其活性。需要生物素为辅酶
(2)、 磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸转化成草酰乙酸
在脑、心脏中存在这个反应。
(3)、 Asp、Glu转氨可生成草酰乙酸和α-酮戊二酸
Ile、Val、Thr、Met也会形成琥珀酰CoA，最后生成草酰乙酸
附： 葡萄糖有氧氧化生成的ATP
反 应 辅酶 ATP
第一阶段 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 -1
6-磷酸果糖 1，6双磷酸果糖 -1
2*3-磷酸甘油醛 2*1,3-二磷酸甘油酸 NAD+ 2*3或2*2(详见)
2*1,3-二磷酸甘油酸 2*3-磷酸甘油酸 2*1
2*磷酸烯醇式丙酮酸 2*丙酮酸 2*1
第二阶段 2*丙酮酸 2*乙酰CoA NAD+ 2*3
第三阶段 2*异柠檬酸 2*α-酮戊二酸 NAD+ 2*3
2*α-酮戊二酸 2*琥珀酰CoA NAD+ 2*3
2*琥珀酰CoA 2*琥珀酸 2*1
2*琥珀酸 2*延胡索酸 FAD 2*2
2*苹果酸 2*草酰乙酸 NAD+ 2*3
净生成 38或36个ATP
3、磷酸戊糖途径
也称磷酸己糖支路，发生在胞质中。细胞内Glc的氧化分解，除通过糖酵解，三羧酸循环和发酵外，还能直接氧化分解。即反应开始，在G-6-P上的C2原子上直接氧化，通过一系列转化被分解，此为磷酸戊糖途径。
两个事实：
①用碘乙酸和氟化物抑制糖酵解(磷酸甘油醛脱氢酶)发现Glc的消耗并不因此而受影响，证明葡萄糖还有其它的分解途径
②用14C分别标记Glc的C1和C6，然后分别测定14CO2生成量，发现C1标记的Glc比C6标记的Glc更快、更多地生成14CO2 ，如果糖酵解是唯一的`代谢途径，那么14C1和14C2生成14CO2的速度应该相同。
1)、 反应过程
Glc经磷酸戊糖途径氧化分解可分为两个阶段。
第一阶段：6-磷酸葡萄糖氧化脱羧生成5-磷酸核糖
第二阶段：磷酸戊糖分子重排，产生不同碳链长度的磷酸单糖
(1) 6-磷酸葡萄糖脱氢脱羧生成5-磷酸核酮糖
在此氧化脱羧阶段中，Glc经两次脱氢，一次脱羧，生成5-磷酸核酮糖及NADPH。6-磷酸葡萄糖脱氢酶是磷酸戊糖途径的调控酶，NADPH反馈抑制此酶活性。
(2) 磷酸戊糖异构生成5-磷酸核糖及5-磷酸木酮糖
(表异构酶)5-磷酸木酮糖产率：2/3; (异构酶) 5-磷酸核糖产率：1/3
(3) 磷酸戊糖通过转酮、转醛反应生成酵解途径的中间产物(F-6-P，3-磷酸甘油醛)
a. 转酮反应：5-磷酸木酮糖将自身的二碳单位(羟乙酰基)转到5-磷酸核糖的C1上，生成3-磷酸甘油醛和7-磷酸景天庚酮糖。
转酮酶需TPP为辅酶，作用机理与丙酮酸脱氢酶中的TPP类似。
b. 转醛反应：转醛酶将7-磷酸庚酮糖上的三碳单位(二羟丙酮基)转到3-磷酸甘油醛的C1上，生成4-磷酸赤鲜糖和6-磷酸果糖。
(4)转酮反应(转酮酶)
4-磷酸赤鲜糖接受另一分子5-磷酸木酮糖上的二碳单位(羟乙酰基)，生成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛
