第五节能源物质的产能代谢-第六节

第五章能源物质的产能代谢生物体的生长发育、组织细胞的更新、维持基本的生命活动（如心跳、呼吸、体温和保持大脑的清醒状态等）以及劳动等均需要从外环境中获取必需的营养素。

这些必需营养素包括糖类、脂类、蛋白质、水、无机盐和维生素。

其中糖、脂肪和蛋白质在生物体内氧化分解的过程中可逐步释放维持基本生命活动和劳动所需要的能量，所以糖、脂肪和蛋白质又被称为三大能源物质。

糖、脂肪和蛋白质三大能源物质在体内氧化分解产能具有共同规律，可区分为三个阶段，依次为：①分解为各自的组成单位：葡萄糖、甘油、脂肪酸、氨基酸等。

在此阶段中以热能形式约释出总能量的1%；②各组成单位经不同过程生成活性二碳化合物——乙酰辅酶A；约释出总能量的1/3；③乙酰辅酶A进入三羧酸循环脱氢脱羧；脱下的氢经电子传递链(呼吸链)传递，最后与氧结合成水。

所释能量约占总能量的2/3 (图5-1-1)。

图5-1-1 糖、脂肪、蛋白质氧化分解的三个阶段第一节乙酰辅酶A的生成乙酰辅酶A是能源物质代谢的重要中间代谢产物，在体内能源物质代谢中是一个枢纽性的物质。

糖、脂肪、蛋白质三大营养物质通过乙酰辅酶A汇聚成一条共同的代谢通路——三羧酸循环和氧化磷酸化，经过这条通路彻底氧化生成二氧化碳和水，释放能量用以ATP的合成。

乙酰辅酶A是合成脂肪酸、酮体等能源物质的前体物质，也是合成胆固醇及其衍生物等生理活性物质的前体物质。

一、葡萄糖分解代谢生成乙酰辅酶A糖是多羟基醛和多羟基酮及其衍生物的总称。

人体最重要的单糖是葡萄糖(glucose)，葡萄糖是糖在体内的运输形式；人体最重要的多糖是糖原(glycogen)，糖原是葡萄糖在体内的储存形式；食物中的多糖主要是淀粉(starch)，淀粉由淀粉酶水解为葡萄糖后才能吸收，经血液运往全身各组织被利用或储存。

糖的主要生理功能是氧化供能，每克糖彻底氧化可释能16.7 kJ(4kcal)，一般由糖氧化供给的能量约占人体所需总能量的50％～70％。

糖在体内主要的代谢途径示于图5-1-2中，包括：【糖的有氧氧化】葡萄糖→丙酮酸→乙酰辅酶A→CO2+H2O。

此过程在只能有线粒体的细胞中进行，并且必须要有氧气供应。

糖的有氧氧化是机体获得ATP的主要途径，1分子葡萄糖彻底氧化为二氧化碳和水可合成30或32分子ATP（过去的理论值为36或38分子ATP）。

【糖的无氧氧化】葡萄糖→丙酮酸→乳酸。

在细胞无线粒体或缺乏氧气时进行，1分子葡萄糖氧化产生2分子乳酸，净合成2分子ATP。

此过程产生的乳酸如果积累过多会导致乳酸酸中毒。

【糖的磷酸戊糖途径】葡萄糖→5-磷酸核糖、NADPH。

此过程的产物5-磷酸核糖是合成核苷的原料之一，NADPH是细胞内良好的还原剂，为加氢反应提供氢。

【糖原合成】葡萄糖→肝糖原、肌糖原。

糖原是机体糖的贮存形式，但由于糖原的贮存需要水的存在，因此贮存量较小，也正因为糖原亲水，所以糖原的利用速度比脂肪快。

【糖转化为脂肪】葡萄糖→乙酰辅酶A→脂肪酸→脂肪。

这是糖转化为脂肪的途径，脂肪是机体高度还原的能源贮存形式，疏水，可以大量贮存，但利用速度较慢。

图5-1-2 糖代谢概况①糖的有氧氧化，如果缺乏氧气或线粒体，则氧化至丙酮酸时还原为乳酸，称糖的无氧氧化（糖酵解）②磷酸戊糖途径，产物5-磷酸核糖是合成核苷的原料③由乙酰辅酶A合成脂肪酸、脂肪和胆固醇④肝脏中葡萄糖输出为血糖⑤肝脏中糖原的合成和分解（一）糖酵解：葡萄糖→丙酮酸葡萄糖或糖原的葡萄糖单位通过糖酵解途径分解为丙酮酸，这个过程称为糖的无氧分解。

由于此过程与酵母菌使糖生醇发酵的过程基本相似，故又称糖酵解(图5-1-3)。

反应在胞液中进行，不需要氧气。

图5-1-3 糖酵解概况①己糖激酶或葡萄糖激酶②磷酸己糖异构酶③5-磷酸果糖激酶-1 ④醛缩酶⑤磷酸丙糖异构酶⑥3-磷酸甘油醛脱氢酶⑦磷酸甘油酸激酶⑧磷酸甘油酸变位酶⑨烯醇化酶⑩丙酮酸激酶缩写符号：G葡萄糖G6P 6-磷酸葡萄糖F-1,6-BP 1,6-二磷酸果糖G3P（GAP）3-磷酸甘油醛DHAP 磷酸二羟丙酮G-1,3-BP 1,3-二磷酸甘油酸3PG 3-磷酸甘油酸2PG 2-磷酸甘油酸PEP磷酸烯醇式丙酮酸糖酵解的反应过程可分两个阶段：①活化吸能阶段，通过消耗2分子ATP使1分子葡萄糖裂解为2分子3碳糖。

②3碳糖氧化释放能量阶段，产生2分子丙酮酸、2分子NADH和4分子ATP。

糖酵解过程净产生ATP2分子（图5-1-4）。

图5-1-4 糖酵解过程详细图解在糖酵解进行过程中，有三种酶催化的反应不可逆，这三个酶称为关键酶，它们使糖酵解由葡萄糖向丙酮酸方向进行。

【己糖激酶】或肝中【葡萄糖激酶】催化葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖，由ATP 提供能量和磷酸基团。

这一步反应不仅活化了葡萄糖，使其能进入各种代谢途径，还能捕获进入细胞内的葡萄糖，使之不再透出细胞膜。

反应不可逆，反应过程中消耗1分子ATP。

己糖激酶或葡萄糖激酶是糖酵解途径的第一个限速酶，其作用特点比较见表5-1-1。

【磷酸果糖激酶-1】催化6-磷酸果糖转变为1,6-二磷酸果糖，这是酵解途径中的第二个磷酸化反应，需要ATP和Mg2+，反应不可逆。

磷酸果糖激酶-1是糖酵解过程中最重要的限速酶。

此酶为变构酶。

柠檬酸、ATP为变构抑制剂，ADP、AMP和 F-1,6-BP等为变构激活剂。

胰岛素诱导其生成。

【丙酮酸激酶】催化磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸，磷酸烯醇式丙酮酸的高能磷酸键在催化下转移给ADP生成A TP，自身生成烯醇式丙酮酸后自发转变为丙酮酸。

反应不可逆。

是糖酵解途径中第二个以底物水平磷酸化方式生成ATP的反应。

丙酮酸激酶是糖酵解途径中的又一个限速酶，具有别构酶特性，A TP是其别构抑制剂，ADP是别构激活剂。

在糖酵解过程中有2步反应生成A TP，其一是在磷酸甘油酸激酶催化下将1,3-二磷酸甘油酸分子上的1个高能磷酸键转移给ADP生成A TP；另1个是丙酮酸激酶催化使磷酸烯醇式丙酮酸的高能磷酸键转移给ADP生成A TP。

这两步反应的共同点是底物分子都具有高能键，底物分子的高能键转移给ADP生成ATP的方式称为【底物水平磷酸化】。

底物水平磷酸化是A TP的生成方式之一，另一种ATP的生成方式是氧化过程中脱下的氢（以NADH和FADH2形式存在）在线粒体中氧化成水的过程中，释放的能量推动ADP与磷酸合成为ATP，这种方式称为【氧化磷酸化】（见本章第二节）。

（二）丙酮酸的去路糖酵解过程的产物丙酮酸有多种分支去路（图5-1-5）：图5-1-5 丙酮酸的去路1．生成乙酰辅酶A ：丙酮酸在有氧气和线粒体存在时进入线粒体，经丙酮酸脱氢酶复合体（表5-1-2）催化氧化脱羧产生NADH 、CO 2和乙酰辅酶A ，乙酰辅酶A 进入三羧酸循环和氧化磷酸化彻底氧化为CO 2和H 2O ，释放的能量在此过程中可产生大量ATP 。

这是糖的有氧氧化过程。

糖的有氧氧化是机体获得ATP 的主要途径。

表5-1-2 丙酮酸脱氢酶复合体的组成丙酮酸生成乙酰辅酶A 的反应是糖有氧氧化过程中重要的不可逆反应（图4-1-14）。

丙酮酸脱氢产生NADH+H+，释放的自由能则贮于乙酰辅酶A中。

乙酰辅酶A可参与多种代谢途径。

丙酮酸脱氢酶系的多种辅酶中均含有维生素，TPP中含有维生素B1，辅酶A（HSCoA）中含有泛酸，FAD含有维生素B2，NAD+含尼克酰胺（维生素PP）。

所以，当这些维生素缺乏，特别是维生素B1缺乏时，丙酮酸及乳酸堆积，能量生成减少，可发生多发性末梢神经炎，严重时可引起典型脚气病。

2．丙酮酸在无氧或无线粒体条件下加氢还原为乳酸。

糖酵解过程生成的产物有3个：NADH、ATP和丙酮酸。

NADH、ATP的生成必将导致底物NAD+和ADP的显著减少，而这两种底物的减少将严重抑制糖酵解的继续进行。

ATP在体内会很快被消耗而生成ADP 和磷酸，因此A TP的抑制作用几乎可以忽略不计。

NADH在有氧气存在的条件下在线粒体中被氧化为水而重新生成NAD+，但在无氧或无线粒体的细胞中是无法进行这个过程的，因此NAD+的减少和NADH的增多在无氧或无线粒体的细胞中对糖酵解的抑制非常显著。

在这些细胞中解决的办法是，产物丙酮酸作为受氢体将NADH的氢接受重新生成NAD+，丙酮酸加氢还原为乳酸。

乳酸的生成使NAD+再生，能在一定时间内暂时解除糖酵解的抑制，但是如果乳酸进一步增多，乳酸的抑制作用将增强，最后糖酵解被完全抑制。

同时乳酸解离产生的H+也增多，体液pH下降。

这些综合结果被称为【乳酸酸中毒】。

在缺氧和剧烈运动时最容易产生乳酸中毒现象。

乳酸中毒的解除需依赖氧气的充分供应，此时，乳酸可脱氢生成丙酮酸通过有氧氧化代谢或进入肝脏进行糖异生。

红细胞缺乏线粒体，因此，红细胞只能依赖糖的无氧氧化（酵解）获得能量，所释放的乳酸经血液循环至肝脏代谢（糖异生）。

某些组织细胞如视网膜、睾丸、白细胞、肿瘤细胞等，即使在有氧条件下仍以糖酵解为其主要供能方式。

机体在缺氧情况下，尤其在剧烈运动时肌肉的氧分得不到足够供应（尽管此时气喘吁吁），糖的无氧氧化（葡萄糖→乳酸）是机体获得能量的一种有效方式，但无法维持很长时间，如果导致严重的乳酸中毒，又不能恢复氧气供应，糖酵解被完全抑制，A TP消耗不能再生，生命过程将终止。

3．丙酮酸经转氨基作用生成丙氨酸，作为蛋白质合成的原料。

4．在植物和酵母菌细胞内，无氧情况下丙酮酸脱羧产生乙醛，乙醛由NADH还原为乙醇（乙醇发酵）。

乙醇发酵有很大的经济意义，在发面、制作面包和馒头，以及酿酒工业中起着关键性的作用。

在酿醋工业上，微生物也是先在不需氧条件下形成乙醛而后在有氧条件下氧化为乙酸（醋酸）。

（三）糖酵解的调节正常生理条件下，人体内的各种代谢过程受到严格而精细的调节，以保持内环境稳定，适应机体生理活动的需要。

这种调节控制主要是通过改变酶的活性来实现的。

己糖激酶（葡萄糖激酶）、磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶是糖酵解的关键酶，它们的活性大小，直接影响着整个代谢途径的速度和方向，其中以磷酸果糖激酶-1最为重要。

1．激素的调节胰岛素可诱导GK、PFK-1、PK的合成，因而使糖酵解过程增强。

2．代谢物对限速酶的变构调节磷酸果糖激酶-1（PFK-1）是三个限速酶中催化效率最低的，故而是糖酵解途径中最重要的调节点。

该酶分子为四聚体。

分子中不仅具有与底物结合的部位，还具有与变构激活剂和变构抑制剂结合的部位。

F-1,6-BP、ADP、AMP 等是其变构激活剂，而ATP、柠檬酸等为其变构抑制剂。

在这些代谢物的共同调节下，机体可根据能量需求调整糖分解速度。

当细胞内能量消耗增多，ATP浓度降低，AMP、ADP 浓度增加，则磷酸果糖激酶-1被激活，糖分解速度加快，使ATP生成量增加；当细胞内有足够的ATP储备时，A TP浓度增加，AMP、ADP浓度下降，磷酸果糖激酶-1被抑制，糖分解速度减慢，减少A TP生成量，避免能量的浪费；当饥饿时，机体动员储存脂肪分解氧化，生成大量乙酰CoA，乙酰CoA可与草酰乙酸缩合成柠檬酸，抑制磷酸果糖激酶-1的活性，从而减少糖的分解，以维持饥饿状态下血糖浓度。