生物化学与分子生物学/糖的无氧氧化

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糖代谢 - 糖的摄取与利用 - 糖的无氧氧化 - 糖的有氧氧化 - 磷酸戊糖途径 - 糖原的合成与分解 - 糖异生 - 葡萄糖的其他代谢途径 - 血糖及其调节
一分子葡萄糖在细胞质中可裂解为两分子丙酮酸,此过程称为糖酵解(glycolysis) , 它是葡萄糖无氧氧化和有氧氧化的共同起始途径。在不能利用氧或氧供应不足时,某些微生物和人体组织将糖酵解生成的丙酮酸进一步在细胞质中还原生成乳酸,称为乳酸发酵(lactic acid fermentation) 或糖的无氧氧化 (anaerobic oxidation of glucose) 。在某些植物、无脊椎动物和微生物中,糖酵解产生的丙酮酸可转变为乙醇和二氧化碳,称为乙醇发酵(ethanol fermentation) 。氧供应充足时,丙酮酸主要进入线粒体中彻底氧化为 CO2和 H20, 即糖的有氧氧化 (aerobic oxidation of glucose) 。本节仅讨论人体内生成乳酸的糖无氧氧化过程。

糖的无氧氧化分为糖酵解和乳酸生成两个阶段[编辑]

葡萄糖无氧氧化的全部反应在细胞质中进行,分为两个阶段:第一阶段是糖酵解,第二阶段为乳酸生成。

葡萄糖经糖酵解分解为两分子丙酮酸[编辑]

糖酵解由十步反应组成,主要涉及已糖发生磷酸化、已糖裂解为丙糖、丙糖转变为丙酮酸的反应过程。

  • 葡萄糖磷酸化生成葡糖-6-磷酸 葡萄糖进入细胞后发生磷酸化反应,生成葡糖-6-磷酸(glucose-6-phosphate, G-6-P) , 该反应不可逆,是糖酵解的第一个限速步骤。磷酸化后的葡萄糖不能自由通过细胞膜而逸出细胞。催化此反应的是已糖激酶(hexokinase) , 它需要Mg2+,是糖酵解的第一个关键酶。哺乳动物体内已发现有4种已糖激酶同工酶(Ⅰ~Ⅳ型)。肝细胞中存在的是Ⅳ型,称为葡糖激酶(glucokinase) , 它有两个特点:一是对葡萄糖的亲和力很低,其Km值约为 lOmmol/L, 而其他已糖激酶的Km值在0.lmmol/L左右;二是受激素调控,它对葡糖-6-磷酸的反馈抑制并不敏感。这些特性使葡糖激酶对于肝维持血糖稳定至关重要,只有当血糖显著升高时,肝才会加快对葡萄糖的利用,起到缓冲血糖水平的调节作用。
  • 葡糖6-磷酸转变为果糖-6-磷酸 这是由磷酸已糖异构酶(phosphohexose isomerase)催化的醒糖与酮糖间的异构反应。葡糖-6-磷酸转变为果糖-6-磷酸(fructose-6-phosphate,F-6-P)是需要Mg2+参与的可逆反应。
  • 果糖-6-磷酸转变为果糖-1,6-二磷酸 这是第二个磷酸化反应,需ATP和Mg2+,由磷酸果糖激酶1(phosphofructokinase-1 ,PFK-1)催化,生成果糖-1,6-二磷酸(fructose-1,6-bisphosphate,F-1,6-BP)。该反应不可逆,是糖酵解的第二个限速步骤。
  • 果糖-1,6-二磷酸裂解成2分子磷酸丙糖 此步反应是可逆的,由醛缩酶(aldolase)催化,产生2个丙糖,即磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛。
  • 磷酸二羟丙酮转变为3-磷酸甘油醛 3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮是同分异构体,在磷酸丙糖异构酶(triose phosphate isomerase)催化下可互相转变。当3-磷酸甘油醛在下一步反应中被移去后,磷酸二羟丙酮迅速转变为3-磷酸甘油醛,继续进行酵解。磷酸二羟丙酮还可转变成α-磷酸甘油,是联系葡萄糖代谢和脂肪代谢的重要枢纽物质。

上述5步反应为糖酵解的耗能阶段,1分子葡萄糖经两次磷酸化反应消耗了2分子ATP,产生了2分子3-磷酸甘油醛。而之后的5步反应才开始产生能量。

  • 3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸 反应中3-磷酸甘油醛的醛基氧化成羧基及羧基的磷酸化均由3-磷酸甘油醛脱氢酶(glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase)催化,以NAD+为辅酶接受氢和电子。参加反应的还有无机磷酸,当3-磷酸甘油醛的醛基氧化脱氢生成羧基时立即与磷酸形成混合酸酐。该酸酐是一种高能化合物,其高能磷酸键水解时可将能量转移至ADP,生成ATP。
  • 1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸 磷酸甘油酸激酶(phosphoglycerate kinase)催化混合酸酐上的磷酸基从羧基转移到ADP,形成ATP和3-磷酸甘油酸,反应需要Mg2+。这是糖酵解过程中第一次产生ATP的反应,将底物的高能磷酸基直接转移给ADP生成ATP。这种ADP或其他核苷二磷酸的磷酸化作用与高能化合物的高能键水解直接相偶联的产能方式称为底物水平磷酸化(suhstrate-level phosphorylation)。磷酸甘油酸激酶催化的这一反应可逆,但逆反应需消耗1分子ATP。
  • 3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸 磷酸甘油酸变位酶(phosphoglycerate mutase)催化磷酸基从3-磷酸甘油酸的C3位转移到C2,此反应可逆,且需要Mg2+参与。
  • 2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸 烯醇化酶(enolase)催化2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate, PEP)。尽管这个反应的标准自由能改变比较小,但反应时可引起分子内部的电子重排和能量重新分布,形成了一个高能磷酸键,这就为下一步反应作了准备。
  • 磷酸烯醇式丙酮酸发生底物水平磷酸化生成丙酮酸 糖酵解的最后一步反应由丙酮酸激酶(pyruvate kinase)催化,需要K+和Mg2+参与。反应最初生成烯醇式丙酮酸,但烯醇式迅速经非酶促反应转变为酮式。此反应不可逆,是糖酵解的第三个限速步骤,也是第二次底物水平磷酸化。

在糖酵解产能阶段的5步反应中,2分子磷酸丙糖经两次底物水平磷酸化转变成2分子丙酮酸,总共生成4分子ATP。

丙酮酸被还原为乳酸[编辑]

此反应由乳酸脱氢酶(lactatedehydrogenase, LDH)催化,丙酮酸还原成乳酸所需的氢原子由NADH+H+提供,后者来自上述第6步反应中的3-磷酸甘油醛的脱氢反应。在缺氧情况下,这一对氢用于还原丙酮酸生成乳酸,NADH+H+重新转变成NAD+,糖酵解才能重复进行。

糖的无氧氧化.png

糖酵解的调节取决于三个关键酶活性[编辑]

糖酵解的大多数反应是可逆的,这些可逆反应的方向、速率由底物和产物的浓度控制。 催化这些可逆反应的酶的活性改变,并不能决定反应的方向。 糖酵解过程中有3个反应在细胞内发生时不可逆,分别由己糖激酶(葡糖激酶)、磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶催化,它们反应速率最慢,是控制糖酵解流量的3个关键酶,其活性受到别构效应剂和激素的调节。

磷酸果糖激酶-1对调节糖酵解速率最重要[编辑]

磷酸果糖激酶-1的活性调节

调节糖酵解流量最重要的是磷酸果糖激酶-1的活性。磷酸果糖激酶-1是四聚体,受多种别构效应剂的影响。ATP和拧檬酸是此酶的别构抑制剂。磷酸果糖激酶-1有2个结合ATP的位点,一个是活性中心内的催化部位,ATP作为底物与之结合;另一个是活性中心以外的别构部位,ATP作为别构抑制剂与之结合,别构部位与ATP的亲和力较低,因而需要较高浓度的ATP才能抑制酶活性。磷酸果糖激酶-1的别构激活剂有AMP、ADP、果糖-1,6-二磷酸和果糖-2,6-二磷酸(fructose-2,6-bisphosphate, F-2 ,6-BP)。AMP可与ATP竞争结合别构部位,抵消ATP的抑制作用。果糖-1,6-二磷酸 是磷酸果糖激酶-1的反应产物,这种产物正反馈作用是比较少见的,它有利于糖的分解。
果糖2,6-二磷酸是磷酸果糖激酶l最强的别构激活剂,在生理浓度范围(µmol水平)内即可发挥效应。其作用是与AMP一起取消ATP、拧檬酸对磷酸果糖激酶-1的别构抑制作用。果糖-2,6-二磷酸由磷酸果糖激酶-2(phosphofructokinase-2, PFK-2)催化果糖-6-磷酸C2磷酸化而生成;果糖二磷酸酶-2 (fructose bisphosphatase-2 , FBP-2)则可水解其C2位磷酸,使其转变成果糖-6-磷酸。磷酸果糖激酶-2和果糖二磷酸酶-2这两种酶活性共存于一个酶蛋白上,具有2个分开的催化中心,是一种双功能酶。
磷酸果糖激酶-2/果糖二磷酸酶-2还可在激素作用下,以化学修饰方式调节酶活性。胰高血糖素通过依赖cAMP的蛋白激酶(蛋白激酶A, PKA)使其32位丝氨酸发生磷酸化,结果导致磷酸果糖激酶-2活性减弱而果糖二磷酸酶-2活性升高。磷蛋白磷酸酶将其去磷酸后,酶活性的变化则相反。

丙酮酸激酶是糖酵解的第二个重要的调节点[编辑]

丙酮酸激酶是糖酵解的第二个重要的关键酶。果糖-1,6-二磷酸是丙酮酸激酶的别构激活剂,而ATP则对其有抑制作用。此外,在肝内丙氨酸对该酶也有别构抑制作用。丙酮酸激酶还受化学修饰洞节。蛋白激酶A和依赖Ca2+、钙调蛋白的蛋白激酶均可使其磷酸化而失活。胰高血糖素可通过激活蛋白激酶A而抑制丙酮酸激酶活性。

已糖激酶受到反馈抑制调节[编辑]

已糖激酶受其反应产物葡糖-6-磷酸的反馈抑制,而葡糖激酶由于不存在葡糖-6-磷酸的别构调节部位,故不受葡糖-6-磷酸的影响。长链脂酰CoA对其有别构抑制作用,这在饥饿时减少肝和其他组织分解葡萄糖有一定意义。 胰岛素可诱导葡糖激酶基因的转录,促进该酶的合成。
糖酵解是体内葡萄糖分解供能的起始阶段。对于绝大多数组织,特别是骨骼肌,调节流量的目的是适应这些组织对能量的需求。当消耗能量多,细胞内ATP/AMP比值降低时,磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶均被激活,葡萄糖分解加快。反之,细胞内ATP的储备丰富时,通过糖酵解分解的葡萄糖就减少。肝的情况则不同。正常进食时,肝仅氧化少量葡萄糖,主要由氧化脂肪酸获得能量。进食后,胰高血糖素分泌减少,胰岛素分泌增加,果糖-2,6-二磷酸的合成增加,加速糖酵解,有利于生成更多的乙酰CoA用于合成脂肪酸;饥饿时胰高血糖素分泌增加,抑制了果糖-2,6-二磷酸的合成和丙酮酸激酶的活性,抑制糖酵解,这样才能有效地进行糖异生,维持血糖水平。

糖的无氧氧化为机体快速供能[编辑]

糖无氧氧化最主要的生理意义是不利用氧迅速提供能量,这对肌收缩更为重要。肌内ATP含量很低,静息状态下约为4mmol/L,只要肌收缩几秒钟即可耗尽。这时虽然不缺氧,但葡萄糖通过有氧氧化供能的反应过程和所需时间相对较长,来不及满足需要,而通过糖无氧氧化则可迅速得到ATP。当机体缺氧或剧烈运动肌局部血流不足时,能量主要通过糖无氧氧化获得。
成熟红细胞没有线粒体,只能依赖糖的无氧氧化提供能显。其他特定类型组织,如视网膜、神经、肾髓质、胃肠道、皮肤等,即使不缺氧也常由糖的无氧氧化提供部分能量。此外,在感染性休克、肿瘤恶病质等病理清况下,糖的无氧氧化也极为活跃,产生的大量乳酸主要被肝利用进行糖异生。
糖无氧氧化时每分子磷酸丙糖进行2次底物水平磷酸化,可生成2分子ATP,因此lmol葡萄糖可生成4molATP, 扣除在葡萄糖和果糖-6-磷酸发生磷酸化时消耗的2molATP, 最终净得2molATP。lmol葡萄糖经无氧氧化可释放 196kJ/mol的能量,而在标准状态下2molATP水解为ADP和Pi时释放能量61kJ/mol, 故此时ATP的储能效率为31%。

其他单糖可转变为糖酵解的中间产物[编辑]

除葡萄糖外,其他已糖如果糖、半乳糖和甘露糖也都是重要的能源物质,它们可转变成糖酵解的中间产物磷酸已糖而进入糖酵解提供能量。

果糖被磷酸化后进入糖酵解[编辑]

果糖是膳食中重要的能源物质,在水果和庶糖中含量丰富,每天从食物摄入的果糖约有 100 g。血中的果糖被不同组织器官摄取后,代谢过程也有所差异:

  • 主要在肝内代谢:大部分果糖被肝摄取,肝内存在特异的果糖激酶,催化果糖磷酸化生成果糖-1-磷酸,后者被果糖-1-磷酸醛缩酶(B型醛缩酶)裂解成磷酸二羟丙酮及甘油醛。甘油醛在丙糖激酶催化下磷酸化生成 3-磷酸甘油醛。这些果糖代谢产物恰好是糖酵解的中间代谢产物,可循糖酵解氧化分解,也可逆向进行糖异生,促进肝内糖原储存。
  • 还可在周圉组织中代谢:一部分果糖被肌和脂肪组织等摄取,由己糖激酶催化,使果糖磷酸化生成果糖-6-磷酸。果糖-6-磷酸可进入糖酵解分解,也可在肌组织中合成糖原。

果糖不耐受(fructose intolerance)是一种遗传病,其病因是缺乏B型醛缩酶。病人进食果糖会引起果糖-1-磷酸堆积,通过别构抑制磷酸化酶而阻止肝糖原分解, 故病人即使有丰富的肝糖原储备,此时仍会出现严重的低血糖。同时因肝内Pi被大量消耗,使氧化磷酸化受抑制,导致ATP耗竭而损伤肝细胞。

半乳糖转变为葡糖-1-磷酸进入糖酵解[编辑]

半乳糖的代谢

半乳糖和葡萄糖是立体异构体,它们仅在C4位的构型上有所区别。牛乳中的乳糖是半乳糖的主要来源,半乳糖在肝内转变为葡萄糖。尿嘧啶核苷二磷酸半乳糖(uridine diphosphate galactose, UDPGal)不仅是半乳糖转变为葡萄糖的中间产物,也是半乳糖供体,用以合成糖脂、蛋白聚糖和糖蛋白。另一方面,由于差向异构酶催化的反应可逆,用于合成糖脂、蛋白聚糖和糖蛋白的半乳糖并不必依赖食物而可由UDPG转变生成。
半乳糖血症(galactosemia)是一种遗传病,表现为半乳糖不能转变成葡萄糖。其最常见的病因是缺乏半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶,引起血中半乳糖浓度显著升高,进而还原生成有毒副产物半乳糖醇。半乳糖醇在晶状体中积累,使之吸收水分而发生肿胀、混浊,导致形成白内障。半乳糖血症的症状还包括肝大、智力迟钝等,在某些病例中可因肝损伤致死。

甘露糖转变为果糖-6-磷酸进入糖酵解[编辑]

甘露糖的代谢

甘露糖在结构上是葡萄糖C2位的立体异构物。它在日常饮食中含量甚微,是多糖和糖蛋白的消化产物。甘露糖在体内通过两步反应转变成果糖-6-磷酸而进入糖酵解代谢。首先,甘露糖在已糖激酶的催化下,磷酸化生成甘露糖-6-磷酸,接着被磷酸甘露糖异构酶催化转变为果糖-6-磷酸,从而进入糖酵解进行代谢转变,最终可生成糖原、乳酸、葡萄糖、戊糖等多种产物。