【原】【競賽】細胞學§3.2 糖代謝

第二節   糖代謝

糖是有機體重要的能源和碳源。糖代謝包括糖的合成與糖的分解兩方面。糖的最終來源都是植物或光合細菌通過光合作用將CO₂和水同化成葡萄糖。除此之外糖的合成途徑還包括糖的異生—非糖物質轉化成糖的途徑。在植物和動物體內葡萄糖可以進一步合成寡糖和多糖作為儲能物質(如蔗糖、淀粉和糖元),或者構成植物或細菌的細胞壁(如纖維素和肽聚糖)。

在生物體內，糖(主要是葡萄糖)的降解是生命活動所需能量(如ATP)的來源。生物體從碳水化合物中獲得能量大致分成三個階段：在第一階段，大分子糖變成小分子糖，如淀粉、糖元等變成葡萄糖；在第二階段，葡萄糖通過糖酵解(糖的共同分解途徑)降解為丙酮酸，丙酮酸再轉變為活化的酰基載體—乙酰輔酶A；在第三階段，乙酰輔酶A通過三羧酸循環(糖的最后氧化途徑)徹底氧化成CO₂，當電子傳遞給最終的電子受體O₂時生成ATP。這是動物、植物和微生物獲得能量以維持生存的共同途徑。糖的中間代謝還包括磷酸戊糖途徑、乙醛酸途徑等。

（一）雙糖和多糖的酶促降解

  1、蔗糖、麥芽糖和乳糖的酶促降解

(1)蔗糖的水解  蔗糖的水解主要通過轉化酶的作用，轉化酶又稱蔗糖酶(sucrase)，它廣泛存在于植物體內。所有的轉化酶都是β-果糖苷酶。其作用如下：

以上反應是不可逆的，因為蔗糖水解時放出大量的熱能。

(2)乳糖的水解乳糖的水解由乳糖酶（又稱為β-半乳糖苷酶）催化，生成半乳糖和葡萄糖：

(3)麥芽糖的水解  由麥芽糖酶催化1分子麥芽糖水解生成2分子葡萄糖：

2、淀粉(糖元)的酶促降解

淀粉可以通過兩種不同的過程降解成葡萄糖。一個過程是水解，動物的消化或植物種子萌發時就是利用這一途徑使多糖降解成糊精、麥芽糖、異麥芽糖和葡萄糖。其中的麥芽糖和異麥芽糖又可被麥芽糖酶和異麥芽糖酶降解生成葡萄糖。葡萄糖進入細胞后被磷酸化并經糖酵解作用降解。淀粉的另一個降解途徑為磷酸降解過程。

2.l．淀粉的水解  催化淀粉水解的酶稱為淀粉酶（amylase）它又可分兩種：一種稱為α-1,4-葡聚糖水解酶，又稱為α-淀粉酶(α-amylase)，是一種內淀粉酶(endoamy-lase)，能以一種無規則的方式水解直鏈淀粉(amylose)內部的鍵，生成葡萄糖與麥芽糖的混合物，如果底物是支鏈淀粉(amylopectin)，則水解產物中含有支鏈和非支鏈的寡聚糖類的混合物，其中存在α-l,6鍵。第二種水解酶稱為α-1,4-葡聚糖基-麥芽糖基水解酶，又稱為β-淀粉酶，是一種外淀粉酶(exoamylase)，它作用于多糖的非還原性末端而生成麥芽糖，所以當β-淀粉酶作用于直鏈淀粉時能生成定量的麥芽糖。當底物為分支的支鏈淀粉或糖元時，則生成的產物為麥芽糖和多分枝糊精，因為此酶僅能作用于α-l,4鍵而不能作用于α-l,6鍵。淀粉酶在動物、植物及微生物中均存在。在動物中主要在消化液(唾液及胰液)中存在。

    由于α-淀粉酶和β-淀粉酶只能水解淀粉的α-1,4鍵，因此只能使支鏈淀粉水解54％～55％，剩下的分支組成了一個淀粉酶不能作用的糊精，稱為極限糊精。

    極限糊精中的α-1,6鍵可被R酶水解，R酶又稱脫支酶，脫支酶僅能分解支鏈淀粉外圍的分支，不能分解支鏈淀粉內部的分支，只有與β-淀粉酶共同作用才能將支鏈淀粉完全降解，生成麥芽糖和葡萄糖。麥芽糖被麥芽糖酶水解生成葡萄糖，進一步被植物利用。

    2.2．淀粉的磷酸解

    (l)α-l,4鍵的降解  淀粉的磷酸解是在淀粉磷酸化酶的催化下，用磷酸代替水，將淀粉降解生成 l-磷酸葡萄糖的作用。

(2)α-l,6支鏈的降解  α-淀粉酶、β-淀粉酶和淀粉磷酸化酶只能水解淀粉(或糖原)的α-1,4鍵，不能水解α-1,6鍵。由圖6-3可見，磷酸化酶將一個分支上的5個α-l,4糖苷鍵和另一個分支上的3個α-l,4糖苷鍵水解，至末端殘基a和d處即停止，此時需要一個轉移酶，將一個分支上的3個糖殘基(abc)轉移到另一個分支上，在糖殘基c與d之間形成一個新的α-1,4鍵，然后在α-l,6糖苷酶的作用下，水解z與 h之間的α-1,6糖苷鍵，從而將一個具有分支結構的糖原轉變成為線型的直鏈結構，后者可被磷酸化酶繼續分解。因此，淀粉(或糖原)降解生成葡萄糖是幾種酶相互配合進行催化反應的結果。          

3、細胞壁多糖的酶促降解

3.1．纖維素的降解  纖維素酶可使纖維素分子的β-1,4鍵發生水解，生成纖維二糖，在纖維二糖酶的作用下，最后分解為β-葡萄糖，反應過程如下：

 纖維素的分解在高等植物體內很少發生，只是在少數發芽的種子及其幼苗(如大麥、菠菜、玉米等)內發現有纖維素酶的分解作用。但在許多微生物體內(如細菌、霉菌)都含有分解纖維素的酶。

    3.2．果膠的降解  果膠酶是植物體中催化果膠物質水解的酶。果膠酶按其所水解的鍵，可分兩種：一種稱果膠甲酯酶[(pectinesterase) (PE)]或果膠酶；另一種是半乳糖醛酸酶[(Polygalacturonase) (CPG)]。果膠甲脂酶水解果膠酸的甲酯，生成果膠酸和甲醇：

半乳糖醛酸酶水解聚半乳糖醛酸之間的α-1,4糖苷鍵，生成半乳糖醛酸。

植物體內一些生理現象與果膠酶的作用有關，如葉柄離層的形成就是果膠酶分解胞間層的果膠質使細胞相互分離以致葉片脫落；果實成熟時，由于果膠酶的作用使果肉細胞分離，果肉變軟；植物感病后，病原菌分泌果膠酶將寄主細胞分離而侵入植物體內。

（二）糖酵解

1、糖酵解的概念

糖酵解是葡萄糖在不需氧的條件下分解成丙酮酸，并同時生成ATP的過程。糖酵解途徑幾乎是具有細胞結構的所有生物所共有的葡萄糖降解的途徑，它最初是從研究酵母的酒精發酵發現的，故名糖酵解。整個糖酵解過程是1940年得到闡明的。為紀念在這方面貢獻較大的三位生化學家，也稱糖酵解過程為Embden-Meyerhof-Parnas途徑，簡稱EMP途徑。

2、糖酵解的生化歷程

    糖酵解過程是在細胞液(cytosol)中進行的，不論有氧還是無氧條件均能發生。

    糖酵解全部過程從葡萄糖或淀粉開始，分別包括12或13個步驟，為了敘述方便，劃分為四個階段：

（1）．由葡萄糖形成 l,6-二磷酸果糖(反應①～③)

（2）．磷酸丙糖的生成(反應④～⑤)

（3）．3-磷酸甘油醛氧化并轉變成2-磷酸甘油酸(反應⑥～⑧)

（4）．由2-磷酸甘油酸生成丙酮酸(反應⑨～⑩)

糖酵解的總反應式為： 

    葡萄糖＋2Pi＋2NAD⁺ ───→ 2丙酮酸＋2ATP＋2NADH＋2H⁺＋2H₂O

由葡萄糖生成丙酮酸的全部反應見表6-1。

    糖酵解中所消耗的 ADP及生成的 ATP數目見表6-2。

3、糖酵解的化學計量與生物學意義

糖酵解是一個放能過程。每分子葡萄糖在糖酵解過程中形成2分子丙酮酸，凈得2分子ATP和2分子NADH。在有氧條件下，1分子NADH經呼吸鏈被氧氧化生成水時，原核細胞可形成3分子ATP，而真核細胞可形成2分子ATP。原核細胞1分子葡萄糖經糖酵解總共可生成8分子ATP。按每摩爾ATP含自由能33.4kJ計算，共釋放8×33.4＝267.2kJ，還不到葡萄糖所含自由能2867.5kJ的10％。大部分能量仍保留在2分子丙酮酸中。糖酵解的生物學意義就在于它可在無氧條件下為生物體提供少量的能量以應急。糖酵解的中間產物是許多重要物質合成的原料，如丙酮酸是物質代謝中的重要物質，可根據生物體的需要而進一步向許多方面轉化。3-磷酸甘油酸可轉變為甘油而用于脂肪的合成。糖酵解在非糖物質轉化成糖的過程中也起重要作用，因為糖酵解的大部分反應是可逆的，非糖物質可以逆著糖酵解的途徑異生成糖，但必需繞過不可逆反應。

4、丙酮酸的去向

葡萄糖經糖酵解生成丙酮酸是一切有機體及各類細胞所共有的途徑，而丙酮酸的繼續變化則有多條途徑：

（1）丙酮酸徹底氧化 

在有氧條件下，丙酮酸脫羧變成乙酰輔酶A，而進入三羧酸循環，氧化成 CO₂和H₂O。

    在無氧條件下，為了糖酵解的繼續進行．就必須將還原型的 NADH再氧化成氧化型的NAD⁺，以保證輔酶的周轉，如乳酸發酵、酒精發酵等。

（2）丙酮酸還原生成乳酸 

在乳酸脫氫酶的催化下，丙酮酸被從3-磷酸甘油醛分子上脫下的氫(NADH＋H⁺)還原，生成乳酸，稱為乳酸發酵。

某些厭氧乳酸菌或肌肉由于劇烈運動而缺氧時，NAD⁺的再生是由丙酮酸還原成乳酸來完成的，乳酸是乳酸酵解的最終產物。乳酸發酵是乳酸菌的生活方式。

（3）生成乙醇 

在酵母菌或其他微生物中，在丙酮酸脫羧酶的催化下，丙酮酸脫羧變成乙醛，繼而在乙醇脫氫酶的作用下，由NADH還原成乙醇。反應如下：

(l)丙酮酸脫羧

(2)乙醛被還原為乙醇

葡萄糖進行乙醇發酵的總反應式為：

葡萄糖 + 2Pi+2ADP →2乙醇+2CO₂ + 2ATP

對高等植物來說，不論是在有氧或者是在無氧的條件下，糖的分解都必須先經過糖酵解階段形成丙酮酸，然后再分道揚鑣。

酵解和發酵可以在無氧或缺氧的條件下供給生物以能量，但糖分解得不完全，停止在二碳或三碳化合物狀態，放出極少的能量(38∶2)。所以對絕大多數生物來說，無氧只能是短期的，因為消耗大量的有機物，才能獲得少量的能量，但能應急。例如當肌肉強烈運動時，由于氧氣不足，NADH即還原丙酮酸，產生乳酸，生成的 NAD⁺繼續進行糖酵解的脫氫反應。

（三）三羧酸循環

    在有氧條件下，乙酰輔酶A 的乙酰基通過三羧酸循環被氧化成 CO₂和 H₂O。三羧酸循環不僅是糖有氧代謝的途徑，也是機體內一切有機物碳素骨架氧化成CO₂的必經之路。

     1、反應歷程。如圖6-7所示，現分述如下：

（1）輔酶A與草酰乙酸縮合成檸檬酸。乙酰輔酶A在檸檬酸合成酶催化下與草酰乙酸進行縮合，然后水解成1分子檸檬酸。

（2）檸檬酸脫水生成順烏頭酸，然后加水生成異檸檬酸。

    （3）異檸檬酸氧化與脫羧生成α-酮基戊二酸。

（4）α-酮戊二酸氧化脫羧反應。α-酮戊二酸在α-酮戊二酸脫氫酶復合體作用下脫羧形成琥珀酰輔酶A，此反應與丙酮酸脫羧相似。

（5）琥珀酰輔酶A在琥珀酰-CoA合成酶催化下，轉移其高能硫酯鍵至二磷酸鳥苷(GDP)上生成三磷酸鳥苷(GTP)，同時生成琥珀酸。然后GTP再將高能鍵能轉給ADP，生成1個ATP。

    （6）琥珀酸被氧化成延胡索酸。

（7）延胡索酸加水生成蘋果酸。

（8）蘋果酸被氧化成草酰乙酸。

丙酮酸氧化的總反應可用下式表示：

圖6-7  三羧酸循環

①丙酮酸脫氫酶復合體；②檸檬酸合成酶；③順烏頭酸酶；④、⑤異檸檬酸脫氫酶；⑥α-酮戊二酸脫氫酶復合體；⑦琥珀酰CoA合成酶；⑧琥珀酸脫氫酶；⑨延胡索酸酶；⑩L-蘋果酸脫氫酶

2、三羧酸循環中ATP的形成及三羧酸循環的意義

 1分子乙酰輔酶A經三羧酸循環可生成1分子 GTP(可轉變成ATP)，共有4次脫氫，生成3分子NADH和1分子 FADH₂。當經呼吸鏈氧化生成H₂O時，前者每對電子可生成3分子ATP，3對電子共生成9分子ATP；后者則生成2分子ATP。因此，每分子乙酰輔酶A經三羧酸循環可產生12分子ATP。若從丙酮酸開始計算，則1分子丙酮酸可產生15分子ATP。1分子葡萄糖可以產生2分子丙酮酸，因此，原核細胞每分子葡萄糖經糖酵解、三羧酸循環及氧化磷酸化三個階段共產生8＋2×15＝38個ATP分子。

三羧酸循環生成ATP數見表6-4。

1mol乙酰輔酶A燃燒釋放的熱量為874.04kJ，12分子ATP水解釋放353.63kJ的能量，能量的利用效率為40.5％。由于糖、脂肪及部分氨基酸分解的中間產物為乙酰CoA，可通過三羧酸循環徹底氧化，因此三羧酸循環是生物體內產生 ATP的最主要途徑。

在生物界中，動物、植物與微生物都普遍存在著三羧酸循環途徑，因此三羧酸循環具有普遍的生物學意義。分述如下：

    ①糖的有氧分解代謝產生的能量最多，是機體利用糖或其他物質氧化而獲得能量的最有效方式。

    ②三羧酸循環之所以重要在于它不僅為生命活動提供能量，而且還是聯系糖、脂、蛋白質三大物質代謝的紐帶。

③三羧酸循環所產生的多種中間產物是生物體內許多重要物質生物合成的原料。在細胞迅速生長時期，三羧酸循環可提供多種化合物的碳架，以供細胞生物合成使用。

    ④植物體內三羧酸循環所形成的有機酸，既是生物氧化的基質，又是一定器官的積累物質，如檸檬果實富含檸檬酸，蘋果中富含蘋果酸等。

    ⑤發酵工業上利用微生物三羧酸循環生產各種代謝產物，如檸檬酸、谷氨酸等。

（四）磷酸戊糖途徑

糖的無氧酵解與有氧氧化過程是生物體內糖分解代謝的主要途徑，但不是惟一的途徑。糖的另一條氧化途徑是從6-磷酸葡萄糖開始的，稱為磷酸己糖支路，因為磷酸戊糖是該途徑的中間產物，故又稱之為磷酸戊糖途徑(Pentose phosphate pathway)，簡稱PPP途徑。磷酸戊糖途徑是在細胞質的可溶部分——液泡中進行的。

    磷酸戊糖途徑的存在可以由以下事實來證明：一些糖酵解的典型的抑制劑(如碘乙酸及氟化物)不能影響某些組織中葡萄糖的利用。此外，Warburg發現NADP⁺和6-磷酸葡萄糖氧化成6-磷酸葡萄糖酸時會導致葡萄糖分子進入一個當時未知的代謝途徑，當用¹⁴C標記葡萄糖的C1處或C6處的碳原子時，則C1處的碳原子比C₆處的碳原子更容易氧化成¹⁴CO₂。如果葡萄糖只能通過糖酵解轉化成兩個3-¹⁴C丙酮酸，繼而裂解成¹⁴CO₂，這些6-¹⁴C葡萄糖和1-¹⁴C葡萄糖會以同樣的速度生成¹⁴CO₂。這些觀察促進了磷酸戊糖途徑的發現。

    磷酸戊糖途徑的主要特點是葡萄糖的氧化，不是經過糖酵解和三羧酸循環，而是直接脫氫和脫羧，脫氫酶的輔酶為NADP⁺。整個磷酸戊糖途徑分為兩個階段，即氧化階段與非氧化階段。前者是6-磷酸葡萄糖脫氫、脫羧，形成5-磷酸核糖，后者是磷酸戊糖經過一系列的分子重排反應，再生成磷酸己糖和磷酸丙糖。

    （1）、磷酸戊糖途徑的反應歷程

    1．氧化階段

（1）6-磷酸葡萄糖脫氫酶以 NADP⁺為輔酶，催化6-磷酸葡萄糖脫氫生成6-磷酸葡萄糖酸內酯。

（2）6-磷酸葡萄糖酸內酯在內酯酶的催化下，內酯與H₂O起反應，水解為6-磷酸葡萄糖酸。 

    （3）6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶以NADP⁺為輔酶，催化6-磷酸葡萄糖酸脫羧生成五碳糖。

2．非氧化階段

（1）磷酸戊糖的相互轉化：

（2）7-磷酸景天庚酮糖的生成：由轉酮酶(轉羥乙醛酶)催化將生成的木酮糖的酮醇轉移給5-磷酸核糖。

（3）轉醛酶所催化的反應：生成的7-磷酸景天庚酮糖由轉醛酶(轉二羥丙酮基酶)催化，把二羥丙酮基團轉移給3-磷酸甘油醛，生成四碳糖和六碳糖。

（4）四碳糖的轉變：4-磷酸赤蘚糖并不積存在體內，而是與另1分子的木酮糖進行作用，由轉酮醇酶催化將木酮糖的羥乙醛基團交給赤蘚糖，則又生成1分子的6-磷酸果糖和1分子的3-磷酸甘油醛。 

（2）．磷酸戊糖途徑的生物學意義                   

（1）磷酸戊糖途徑的酶類已在許多動植物材料中發現，說明磷酸戊糖途徑也是普遍存在的糖代謝的一種方式。該途徑在不同的器官或組織中所占的比重不同，在動物、微生物中約占30％，在植物中可占50％以上。動物肌肉中糖的氧化幾乎完全通過磷酸戊糖途徑，肝中90％糖的氧化通過此途徑。   

（2）磷酸戊糖途徑產生的還原型輔酶Ⅱ(NADPH)，可以供組織合成代謝需要。

（3）該途徑的反應起始物為6-磷酸葡萄糖，不需要 ATP參與起始反應，因此磷酸戊糖循環可在低 ATP濃度下進行。

（4）此途徑中產生的5-磷酸核酮糖是輔酶及核苷酸生物合成的必需原料。

    （5）磷酸戊糖循環與植物的關系更為密切，因為循環中的某些酶及一些中間產物(如丙糖、丁糖、戊糖、己糖和庚糖)也是光合碳循環中的酶和中間產物，從而把光合作用與呼吸作用聯系起來。

圖6-10  糖分解代謝各條途徑的聯系

（6）磷酸戊糖途徑與植物的抗性有關  在植物干旱、受傷或染病的組織中，磷酸戊糖途徑更加活躍。

（7）磷酸戊糖途徑是由6-磷酸葡萄糖開始的、完整的、可單獨進行的途徑，因而可以和糖酵解途徑相互補充，以增加機體的適應能力，通過3-磷酸甘油醛及磷酸己糖可與糖酵解溝通，相互配合。

（五）糖異生作用

    糖的異生作用(gluconeogenesis)是指從非糖物質前體如丙酮酸或草酰乙酸合成葡萄糖的過程。凡能生成丙酮酸的物質都可以異生成葡萄糖，如三羧酸循環的中間產物檸檬酸、異檸檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸和蘋果酸都可轉變成草酰乙酸而進入糖異生途徑。

大多數氨基酸是生糖氨基酸，它們轉變成丙酮酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸等三羧酸循環的中間產物進入糖異生途徑。

脂肪酸先經β-氧化作用生成乙酰輔酶A，2分子乙酰輔酶A經乙醛酸循環(見脂類代謝)，生成1分子琥珀酸，琥珀酸經三羧酸循環轉變成草酰乙酸，再轉變成烯醇式磷酸丙酮酸，而后經糖異生途徑生成糖。

 糖異生作用是生物合成葡萄糖的一個重要途徑。生物通過此過程可將酵解產生的乳酸、脂肪分解產生的甘油與脂肪酸及生糖氨基酸等中間產物重新轉化成糖。在種子萌發時，儲藏性的脂肪與蛋白質可以經過糖異生作用轉變成碳水化合物，一般以蔗糖為主，因為蔗糖可以運輸，也可供種子萌發及幼苗生長的需要。葡萄糖異生作用雖不是植物的普遍特征，但在很多幼苗的代謝中卻占優勢。油料作物種子萌發時，由脂肪異生成糖的反應尤其強烈。