公卫执业医师生物化学辅导：糖代谢(2)

如题所述

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第1个回答 2022-06-19

　　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