生物化学6 糖代谢与合成

糖代谢与合成糖酵解糖酵解概述首先，ATP的主要包括两个途径。

一是由葡萄糖彻底氧化成二氧化碳和水，从中释放大量的自由能形成大量的ATP，另一条是在没有氧分子参加的条件下，即在无氧条件下，由葡萄糖降解为丙酮酸，生成两分子ATP在无氧条件下，葡萄糖进行分解，形成2分子丙酮酸并提供能量，这一过程称为糖酵解作用。

糖酵解是葡萄糖转变为丙酮酸的一系列反应，酵解过程的生物学意义在于它是在不需要氧供应的条件下，产生ATP的一种供能方式从能量的观点出发，可以把酵解过程划分为两个方面。

一方面从葡萄糖转变为乳酸是物质分解的过程，其中伴随有自由能的释放。

即放能过程，另一方面ADP和无极磷酸形成ATP 则是吸收能量的过程。

总能量变化来考虑，是一个方能过程。

值得注意的是，糖酵解过程中葡萄糖到所有的中间产物都是以磷酸化合物的形式来实现的。

其意义在于：1.带有负电荷的磷酸基团使中间产物具有极性从而使这些产物不易透过脂膜而失散2.磷酸基团在各反应步骤中，对酶来说，起信号基团的作用，有利于与酶结合而被催化 3.磷酸基团经酵解作用后，最终形成ATP的末端磷酸基团，因此具有保存能量的作用。

糖酵解过程从葡萄糖到丙酮酸共包括10步反应，可分为两个阶段。

前五步为准备阶段，葡萄糖通过磷酸化、异构化裂解为3碳糖。

每裂解一个己糖分子，共消耗2分子ATP。

使己糖分子的1，6位磷酸化。

磷酸化的己糖裂解和异构化，最后形成一个共同中间产物即甘油醛-3-磷酸后五步为产生ATP的贮能阶段。

碳酸三碳糖变成丙酮酸，每分子三碳糖产生2分子ATP.整个过程需要１０种酶。

这些酶都存在于细胞溶胶中，大部分有镁离子作为辅助离子。

糖酵解的全过程丙酮酸转化为乳酸时叫做酵解，丙酮酸转化为乙醛、乙醇时称为发酵一、葡糖的磷酸化（葡糖糖＋ＡＴＰ－－－葡萄糖－６－磷酸＋ADP＋氢离子），此反应在己糖激酶（HK）的催化下，有镁离子，，不可逆)发生酵解的第一步是Ｄ－葡萄糖分子在第六位的磷酸化，形成葡萄糖－６－磷酸，简写Ｇ６Ｐ。

这是一个磷酸基团的转移反应，转移的是ATP的γ－磷酸基团。

由于能量的损失，使得这一步反应基本上是不可逆的。

这一反应保证了进入细胞的葡萄糖可立即被转化为磷酸化形式，、。

不但为葡萄糖随后的裂解活化了葡萄糖分子，还保证了葡糖糖分子一旦进入细胞就有效的被捕获，不会再透出胞外。

己糖激酶所催化的底物不只是Ｄ－葡萄糖。

对一些六碳糖都有催化作用。

激酶是能够在ATP和任何一种底物之间起催化作用，转移磷酸基团的一类酶。

六碳糖激酶存在于所有细胞内，在肝脏中还存在一种专一性强的葡萄糖激酶又称葡糖激酶，这种酶在维持血糖的恒定起作用。

己糖激酶在起催化作用是，先结合葡萄糖分子和镁离子－ＡＴＰ分子，形成一个三元复合物。

随后己糖激酶由葡萄糖分子诱发，而显现出明显的构象变化，这种变化着正好使ATP 分子和葡萄糖的第六位碳原子的羟基靠拢。

大大有利ATP的γ磷酸基团向葡萄糖第６碳原子羟基的转移。

己糖激酶是一种调节酶。

它催化的反应产物葡萄糖－６－磷酸和ADP能使ADP能使该酶受到变构抑制（指某些代谢物与关键酶分子活性中心以外的某个部位特异性的结合，使酶发生变构而改变其催化活性）。

但是葡萄糖磷酸激酶却不受葡萄糖－６－磷酸的抑制。

它的米氏常数比己糖激酶大得多，因此只有在葡萄糖浓度相当高的时候，葡萄糖激酶才起作用。

当血液中和肝细胞内游离葡萄糖的浓度增高时，它催化葡萄糖形成葡萄糖－６－磷酸，该物质是葡萄糖合成糖原的中间产物，由肝脏合成糖原。

可分离出4种电泳行为不同的己糖激酶，分别为1.2.3.4型。

在有机体的分布情况不同，催化的性质也不完全相同。

4型只存在于肝脏中，123大都存在于基本不能合成糖原的组织中。

无机磷酸解除葡萄糖-6-磷酸和ADP对123型酶的抑制作用，葡萄糖激酶（4型）主要分布在肝脏细胞当中，其合成受胰岛素的诱导，使肝脏中葡萄糖磷酸维持在较高水平。

当肝细胞或患糖尿病时，此酶的合成速度降低，不仅糖的合成受阻碍。

糖的降解也受影响。

酶的区域性分布，是机体对酶活性调控的一种方式。

二、葡萄糖-6-磷酸异构化成果糖-6-磷酸（可逆）此反应的催化酶是磷酸葡萄糖异构酶（这个酶具有绝对的底物专一性和立体专一性），这一反应的自由能变化是及其微小的，所以这一反应是可逆的。

在正常情况下，葡糖糖-6-磷酸与果糖-6-磷酸保持或接近平衡状态。

这一步反应中葡萄糖第一位的碳原子上的羰基不像6位上的羟基那样容易磷酸化，所以下一步反应是使葡萄糖分子发生异构化。

这就是葡萄糖的羰基从碳1位上转移到碳2位上，使葡萄糖分子由醛式变成酮式的果糖，其碳1位生即形成了自由羟基。

葡萄糖-6-磷酸和果糖-6-磷酸的存在形式都是以环式为主，而异构化反应需要以开链形式进行。

异构形成的果糖-6-磷酸又形成环状结构。

三、果糖-6-磷酸形成果糖-1，6-二磷酸（FBP）(不可逆）这是糖酵解的第二个磷酸化反应，也是糖酵解过程中使用第二个ATP分子的反应，在磷酸果糖激酶（PFK）的催化下，生成果糖-1，6-二磷酸和ADP和氢离子。

同时也需要镁离子参与此反应是不可逆反应。

磷酸果糖激酶是一种变构酶。

它的催化效率很低，糖酵解的速率严格地依赖该酶的活力水平。

它是哺乳动物糖酵解途径最重要的调控关键酶，该酶由四个亚基组成，是一个四聚体。

磷酸果糖激酶的活性受到许多因素的控制。

例如肝肿的磷酸果糖激酶受到高浓度ATP 的抑制，ATP可降低该酶对果糖－６－磷酸的亲和力，这是一种变构效应，ATP结合到磷酸果糖激酶的一个特殊的调控部位上，调节部位不同于催化部位。

但是这种变构抑制可以被AMP。

因此ATP／AMP的比例关系对此酶也有明显的调节作用。

特别是氢离子对该酶活性的影响，当PH下降时，氢离子对该酶有抑制作用。

在生物体内这种抑制作用具有重要的生物学意义。

因为通过它可以阻止整个糖酵解途径的继续进行，从而防止乳酸的继续形成；这又可防止血液Ph的下降，有利于避免酸中毒。

从兔分离得到的磷酸果糖激酶有三种同工酶（ABC），这三种同工酶对影响酶活力的不同因素反应各异。

A对磷酸肌酸、柠檬酸和无极磷酸的抑制作用最为敏感。

B对2，3-二磷酸甘油酸的抑制作用最敏感，C对腺嘌呤核苷酸的作用最为敏感。

通过上述三个步骤，葡萄糖磷酸化到了果糖-1，6-二磷酸，可以说为下一步的分子裂解完成了条件准备。

四、果糖-1，6-二磷酸转（FBP）变为甘油醛-3-磷酸（GAP）和二羟基丙酮酸（DHAP）（可逆)这是果糖-1，6-二磷酸裂解成两个三碳糖的过程。

在醛缩酶的作用下发生裂解。

这一反应的标准吉布斯自由能是正的，所以在标准情况下，这一反应是向缩合的方向进行，但是在细胞条件下，该反应是很容易进行的。

酶分子活性部位的半胱氨酸和组氨酸残基在酶的催化反应中，相当于酸和碱的作用，他们有增强质子转移的作用。

五、二羟基丙酮酸转化为甘油醛-3-磷酸果糖-1，6-二磷酸所裂解成的两分子三碳糖中，只有甘油醛-3-磷酸才可以进入糖酵解途径，所以二羟基丙酮酸必须转变为甘油醛-3-磷酸才能进入糖酵解途径。

丙糖磷酸异构酶正是担负这一转变的酶。

这两个三碳糖分子式醛酮化合物的互变异构关系，它们的互变之所以可能实现，是因为它们通过一个共同中间体即顺式-单烯二羟负离子中间体。

实验证明，丙糖磷酸异构酶的活性部位是以谷氨酸残基的游离羧基与底物相结合，这个酶催化的反应是及其迅速的，只要酶与底物分子一旦发生碰撞，反应就立刻完成。

因此，任何加速丙糖磷酸异构酶催化效率的措施都不能再提高它的反应速度。

所以甘油酸-3-磷酸与二羟丙酮磷酸总是维持在反应的平衡状态。

但是二羟丙酮磷酸的浓度在平衡点远远超过甘油醛-3-磷酸的浓。

但是甘油醛-3-磷酸不断在糖酵解中被消耗，所以二羟丙酮磷酸也就不断地转变为甘油醛-3-磷酸。

接下来到了酵解的第二阶段——方能阶段六、甘油醛-3-磷酸（BPG）氧化成1，3-二磷酸甘油酸甘油-3-磷酸的醛基氧化为羧基时，将氧化过程产生的能量贮存到ATP分子中。

此过程是在甘油醛-3-磷酸脱氢酶的作用下，由+NAD和无极磷酸（Pi）参加实现的，生成１，３－二磷酸甘油酸和NADH和氢离子。

此反应中，醛基氧化释放的能量推动了1，3-二磷酸甘油醛的形成，这是一个酰基磷酸，酰基磷酸。

酰基磷酸是具有高能磷酸基团转移势能的化合物。

甘油-3-磷酸的氧化是放能的，但是磷酸酐键的形成是吸能的。

整个反应是稍吸能的。

砷酸盐破坏1，3-二磷酸甘油酸的形成砷酸盐（-3AsO）在结构和反应方面都和无极磷酸极为相似，以此能够代替磷酸进攻硫4脂中间产物的高能键，产生1-砷酸-3-磷酸甘油酸，砷酸化合物是很不稳定的化合物。

它迅速的进行水解产生3-磷酸甘油酸。

砷酸盐代替磷酸与甘油醛-3-磷酸结合并氧化，生成的不是1，3-二磷酸甘油酸。

在砷酸盐存在下，虽然酵解过程照常进行，但是却没有生成高能磷酸键。

甘油醛-3-磷酸氧化释放出的能量，未能与磷酸化作用相偶联而被贮存。

因此砷酸盐起着解偶联的作用，即解除了氧化和磷酸化的偶联作用。

从以上事实得到的启发式，在生物分子的进化中为什么选择了具有较大动力学稳定性的磷酸基团作为递能基团，而不是砷酸。

七、1，3-二磷酸甘油酸转移高能磷酸基团形成ATP这是糖酵解开始收获的阶段，在此过程中产生ATP。

１.３－二磷酸甘油醛＋ADP ——－３，磷酸甘油酸＋ATP此反应是在磷酸甘油酸激酶（PGK）的作用下，将其以高能磷酸酐键连接在ｃ１位上的高能磷酸基团转移到ADP分子上形成ATP分子，此过程也需镁离子。

这是一个高效的放能反应，因此能够推动前一步反应的顺利进行。

（上一个反应不是稍吸能的么）磷酸甘油酸激酶分子的外观和己糖激酶极其相似。

都由两叶构成，很像钳子，中间有很深的裂缝。

活性部位在裂缝的底部。

八、3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸此反应是由磷酸甘油酸变位酶催化的。

通常将催化分子内化学基团移位的酶称为变位酶。

此反应是为酵解过程的下一步骤准备反应。

磷酸甘油酸变位酶的活性部位结合有一个磷酸基团，当3-磷酸甘油酸作为酶的底物结合到酶的活性部位后，原来结合在酶活性部位的那个磷酸基团便立即转移到底物分子上，形成一个与酶结合的二磷酸的中间产物，2，3-二磷酸甘油酸（2，3，BPG），这个中间产物又立即使酶分子的活性部位再磷酸化，同时产生游离的2-磷酸甘油酸，2，3，BPG不止在磷酸甘油酸变位酶的催化过程中起着重要作用，在红细胞对氧的转运过程中还起着调节剂的作用。

２，３－二磷酸甘油酸的合成和降解是糖酵解途径中的一个短支路。

以上这两步反应都是不可逆的，此外，２，３－二磷酸甘油酸是二磷酸甘油酸变位酶强有力的竞争性抑制剂。

２，３－二磷酸甘油酸的浓度不仅取决于二磷酸甘油酸变位酶的活力，还取决于２，３－磷酸甘油酸磷酸酶的活力。

一般将催化磷酸酯水解的酶总称磷酸酶。