设为首页收藏本站

中国兽医教育网

 找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

执业兽医
搜索
查看: 2608|回复: 7

动物生物化学--第四章 糖(carbohydrate sugar)代谢

[复制链接]
发表于 2011-11-18 17:40:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
第一节 糖在动物体内的一般概况

一、糖的生理功能

糖普遍存在于动物各组织中,它是构成组织细胞的成分。例如,核糖和脱氧核糖是细胞中核酸的组成成分;粘多糖是结缔组织基质的组成物质;糖与脂类形成的糖脂是细胞膜与神经组织的成分等。

糖在动物体内主要作为能源和碳源。在正常的情况下,糖是生物体主要的供能物质,体内能量的70%主要来自糖的分解。有些器官(如大脑)必须直接利用葡萄糖供能。此外,母畜妊娠时胎儿必须利用葡萄糖,泌乳时需大量的葡萄糖合成乳糖。

糖在分解过程中形成的中间产物又可以提供合成脂类和蛋白质等物质所需的碳架。如葡萄糖分解代谢的中间产物丙酮酸可以转化为丙氨酸成为合成蛋白质的原料。丙酮酸转化成的乙酰辅酶A,是合成高级脂肪酸的原料,也是合成胆固醇等脂类的原料。

二、糖代谢的概况

(一) 动物体内糖的来源

1.由消化道吸收 主要是饲料中的淀粉及少量蔗糖、乳糖和麦芽糖等。在消化道转化为葡萄糖等单糖被吸收。

2.由非糖物质转化而来 动物体可以由非糖物质合成糖,称为糖的异生作用。在家畜饲料中淀粉和纤维素是主要的糖源。但由于不同家畜的消化特点不同,获得糖的方式有所不同。例如猪为单胃杂食动物,其饲料中淀粉含量丰富,所以猪体内糖的主要来源是由消化道吸收葡萄糖。而反刍动物,饲料中以草为主,糖源是纤维素,它不能被消化成葡萄糖,而是被瘤胃中的微生物发酵,分解为乙酸、丙酸和丁酸等低级脂肪酸后被吸收。由于反刍动物瘤胃的特点,饲料中的淀粉等也被发酵成低级脂肪酸吸收。所以反刍动物由肠道吸收的糖很少,主要靠糖的异生作用将吸收的低级脂肪酸转变为糖供给需要。马、骡、驴、兔等则介于猪、牛之间,即由消化道吸收一部分葡萄糖,另一部分是由发达的盲肠发酵纤维素等形成的低级脂肪酸经糖异生作用形成糖。

(二)动物体内糖的主要代谢途径
由小肠吸收的葡萄糖,首先经门静脉进入肝脏。再通过肝静脉进入血液循环,将糖送到各组织细胞,供全身利用。葡萄糖在细胞内主要分解供能,多余的葡萄糖在肝脏和肌肉合成糖原暂时贮存;或转变成脂肪、某些氨基酸等物质。过多的葡萄糖当超过肾糖阈值时,则由尿排除,呈临时性糖尿。肝脏是糖代谢的重要器官,葡萄糖在此分解供能或转变为其它物质(脂肪及某些氨基酸等)外,还能合成糖原。同时也是体内糖异生作用的主要场所。

(三)血糖 血液中所含的糖,除微量半乳糖、果糖及其磷酸酯外,几乎全部是葡萄糖及少量葡萄糖磷酸酯。因此,血糖主要是指血液中所含的葡萄糖。分布于红细胞和血浆中。每种动物的血糖含量各不相同(见表4-1),但对每种动物而言血糖浓度是恒定的。血糖浓度的相对恒定,是在神经、激素和肝脏组织器官的调节下,使其糖的来源和去路互相平衡而达到的(详见第四节)。

===========================================================================
以上内容不包含图表,详细内容请回复后下载电子版。
游客,如果您要查看本帖隐藏内容请回复

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
 楼主| 发表于 2011-11-18 17:51:05 | 显示全部楼层
第二节 糖的分解供能

葡萄糖在体内主要是分解供能。这个过程需要经过几十步化学反应才完成,最终使含有6 个碳的葡萄糖分解为6 个二氧化碳和水,同时释放出大量的能量来供给机体使用(图4—1)。

一、糖酵解

(一)糖酵解反应过程 糖酵解(glycolosis)是把葡萄糖转变为乳酸(三碳糖)并产生ATP 的一系列反应,共分为4 个阶段。

1.由葡萄糖形成1,6-二磷酸果糖反应的第一步是细胞内的葡萄糖被ATP 磷酸化形成6-磷酸葡萄糖。从ATP 上将磷酰基转移到受体上的酶称为激酶。催化葡萄糖生成6-磷酸葡萄糖的酶称己糖激酶,此酶不仅催化葡萄糖磷酸化,也催化其它己糖。第二步反应是6-磷酸葡萄糖异构化为6-磷酸果糖。由磷酸葡萄糖异物化酶催化。第三步是6-磷酸果糖由ATP 磷酸化为1,6-二磷酸果糖。反应由磷酸果糖激酶催化。

2.葡萄糖裂解为2 分子三碳单位,首先是1,6-二磷酸果糖裂解为3—磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮。反应由醛缩酶催化,因此酶也催化逆行的醛醇缩合反应而得名。此反应非常快而且可逆,平衡时0.6%是磷酸二羟丙酮。但因3-磷酸甘油醛与磷酸二羟丙酮是同分异构体,在酶的催化下可相互转变:
3-磷酸甘油醛能有效地被转化为下一步产物,所以这个反应迅速将磷酸二羟丙酮变为3-磷酸甘油醛。从葡萄糖分解为3-磷酸甘油醛,已完成从一分子含6 个碳原子的葡萄糖变为2分子三碳单位的过程。这样的分子转变是为要释放能量,并在此前还消耗了2 分子ATP,其最终就是为从三碳单位中释放能量而作准备。

3.丙酮酸的形成 从3-磷酸甘油醛转变为丙酮酸是糖酵解途径中释放能量的过程。

第一步是由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化形成1,3-二磷酸甘油酸(1,3-DPG)3-磷酸甘油醛脱氢酶的辅酶是NAD+,这个酶催化的特点是使醛基脱氢氧化为羧酸的同时并用从反应中获得的能量使羧基磷酸化为酰基磷酸。这种磷酸化称为底物磷酸化,生成的酰基磷酸具有转移磷酸根的高潜势,即可以产生ATP:这是酵解途径中第一个ATP 产生的步骤。第二个ATP 产生的步骤是由3-磷酸甘油酸生成丙酮酸:
这个过程包括如下反应:
第一个反应是在磷酸甘油酸变位酶催化下磷酸基移位形成2-磷酸甘油酸。
第二个反应是2- 磷酸甘油酸脱水形成一个烯醇( 磷酸烯醇式丙酮酸phosphoenolpyruvate PEP)。由烯醇化酶催化的这一脱水反应显著地提高了磷酸基的转移潜势。
第三个反应是在丙酮酸激酶的催化下,含有高磷酸基转移潜势的磷酸烯醇式丙酮酸,将磷酸基转移至ADP 生成ATP。
至此,从3-磷酸甘油醛至丙酮酸共生成2 分子ATP。因一分子葡萄糖生成2 分子3-磷酸甘油醛。所以一分子葡萄糖至丙酮酸共生成4 分子ATP。但在反应中已消耗2 分子ATP,因此一分子葡萄糖至丙酮酸净生成2 分子ATP(见表4—2)。
葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD-――→2 丙酮酸+2ATP+2NADH+H++2H2O
表4-2 糖酵解中ATP 的消耗和产生反应 每个分子葡萄糖的ATP 变化葡萄糖―→6-磷酸葡萄糖 -16-磷酸葡萄糖―→1,6-二磷酸葡萄糖 -1
2 个3-磷酸甘油醛―→2 个3-磷酸甘油酸 +22 个磷酸烯醇式丙酮酸―→2 个丙酮酸 +2 净变化+2糖酵解的反应概括排图4—2。

4.丙酮酸的去向 酵解途径中唯一的氧化反应是3-磷酸甘油醛脱氢生成1,3-二磷酸甘油酸。脱下的氢还原NAD+生成NADH+H+,糖酵解要继续进行,需要NADH再生出来。在酵母和几种微生物中糖分解生成的丙酮酸被脱羧生成乙醛,由NADH+H+还原乙醛生成乙醇,NAD+被再生出来;在一些厌氧微生物发酵中NADH+H+则直接还原丙酮酸为乳酸,再生成NAD+。

高等生物细胞中,当氧的供应量有限时(如活动旺盛的肌肉细胞),也发生这一反应生成乳酸,由于从葡萄糖生成乙醇和乳酸的过程都称为发酵,所以在高等生物中从葡萄糖生成乳酸的过程也称为糖的酵解途径。但在高等生物正常情况下,氧供应充足,糖酵解所生成的NADH+H+,主要通过呼吸链将氢传给氧生成水(见第五章),使NAD+再生循环使用。

(二)糖酵解的生理意义 从葡萄糖的酵解途径中获得的能量是有限的。在一般情况下,动物机体大多数组织的氧气供应充足,主要进行糖的有氧分解供能。但在有些情况下,如动物使重役或运动速度太快时,由于所需能量大增,糖分解加快,造成氧的相对供应不足,这时肌肉活动所需的一部分能量就靠糖酵解供应。在某些病理情况下,如休克时,由于循环障碍造成组织供氧不足,也会加强酵解作用,产生的乳酸过多时还会引起酸中毒。

在某些组织即使在有氧情况下,也要进行酵解作用。如成熟的红细胞就是依靠糖酵解供给所需能量。已知从单细胞到高等动、植物都存在酵解过程,都是获取能量,虽然产生的能量不多,但反映了生物的演化。选择酵解这种“古老”代谢方式,反映了在大气中缺氧时期原始生物采取了这种获能方式。以后当光合作用逐渐盛行,大气中出现了氧,生物才转而利用氧,以进行高效率的有氧分解方式。

三、丙酮酸形成乙酰辅酶A在需氧生物中糖酵解产生的丙酮酸主要去路是进入线粒体,在线粒体基质的丙酮酸脱氢酶复合体催化下,氧化脱羧形成乙酰辅酶A:
丙酮酸+CoA+NAD+――→
乙酰CoA+CO2+NADH+H+
葡萄糖分解至此,已形成了2 分子的二碳单位(乙酰CoA)。反应中产生的NADH+H+在电子传递链中被O2 氧化,释放出能量,NAD+得到再生。
催化反应的丙酮酸脱氢酶复合体,是由丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸转乙酰基酶和二氢硫辛酸脱氢酶组成。参加反应的除酶的辅助因子NAD+,FAD 外,还需要CoA,焦磷酸硫胺素(TPP)和硫辛酸等辅助因子。复合体组成如表4—3:
转乙酰酶的多肽链是丙酮酸脱氢酶复合体的核心,当这三种酶混合时,它们能自发地结合在一起形成丙酮酸脱氢酶复合体(图4—3)。三种酶在结构上的整体性使得一套复杂的反应在酶相互协调的催化下得以高效地进行。
丙酮酸脱氢酶复合体催化丙酮酸脱羧的反应如图4—4。
从图中可见反应分为四个步骤。第一步丙酮酸与TPP 结合后发生脱羧。由复合体中丙酮酸脱氢酶部分催化。丙酮酸+TPP-羟乙基TPP+CO2。TPP 是维生素B1 的活化衍生物,它的不足将导致酶复合体活力下降,造成丙酮酸堆积,最终造成“脚气病’。第二步,连在TPP 上的羟乙基被氧化成乙酰基,并转移到硫辛酰胺上。生成乙酰硫辛酰胺。反应由酶复合体上的二氢硫辛酸转乙酰酶催化。硫辛酸溶于脂而不溶于水.它以共价键与二氢硫辛酸转乙酰酶的赖氨酸侧链结合形成硫辛酸胺,这样使它可以从一个活性部位旋转到另一部分。第三步,乙酰基从乙酸硫辛酰胺上转移到CoA 上,生成乙酰CoA。二氢硫辛酸转化乙酰酶催化此反应。第四步,氧化型硫辛酰胺再生成。反应由酶复合体的二氢硫辛酸脱氢酶催化,它的辅基是FAD。最后将脱下的氢,交给NAD+。

四、柠檬酸循环

葡萄糖经糖酵解途径生成含三碳的丙酮酸;丙酮酸经氧化脱羧(CO2)生成为含二碳的乙酰CoA。乙酰CoA 最终进入柠檬酸循环被完全氧化分解为一碳的CO2 放出体外,同时释放能量。

( 一) 柠檬酸循环反应 柠檬酸循环(如图4-5,表4-4)是一系列反应的循环过程,其中含有一些三羧基酸所以又称为三羧酸循环;它是由克雷布斯(Krebs)用实验所证明,因此也称Krebs 循环。反应可归纳为:
1.柠檬酸合成 这是循环的起始步骤,是由乙酰CoA 与四碳的草酰乙酸首先缩合为柠檬酸CoA,后再水解(H2O)成为CoA 和柠檬酸。整个缩合与水解反应由柠檬酸合成酶(原来称缩合酶)催化:
2.异柠檬酸生成 柠檬酸必须异构化为异柠檬酸才能使这个6 碳单位发生氧化脱羧。因此,在乌头酸酶催化下柠檬酸经顺乌头酸异构成异柠檬酸。是一个先脱水随后又水合的过程。
3.异柠檬酸被氧化与脱羧生成α-酮戊二酸 这步反应是由异柠檬酸脱氢酶催化。先脱氢氧化为草酰琥珀酸中间物,再从此中间物上脱去CO2,形成α-酮戊二酸。
4,α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酸 这是柠檬酸循环中第二个氧化脱羧反应。反应的机理与丙酮酸氧化脱羧极为相似。由α-酮戊二酸脱氢酶复合体催化,此复合体由α-酮戊二酸脱氢酶,转琥珀酰酶和二氢硫辛酸脱氢酶组成。也需要TPP、硫辛酸、FAD 和NAD+作辅助因子。其中转琥珀酰酶(像转乙酰酶一样)是复合体的核心。α-酮戊二酸先生成琥珀酰CoA。生成的琥珀酰CoA 由于含有一个高能的硫酯键,能使ADP 磷酸化为ATP。但不是直接生成,而是琥珀酰CoA 磷酸化GDP 为GTP。反应由琥珀酰CoA 合成酶催化,生成的GTP 在二磷酸激酶催化下迅即转给ADP 生成ATP。由琥珀酸CoA 生成ATP 是柠檬酸循环中唯一直接产生高能磷酸键的反应,它与糖酵解中3-磷酸甘油醛脱氢反应及磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸反应中生成ATP一样都属于底物磷酸化。琥珀酰CoA 转高能键后即生成琥珀酸。
5.琥珀酸氧化再生成草酰乙酸琥珀酸经一个脱氢(琥珀酸脱氢酶,辅基FAD)氧化作用,一个水合作用(延胡索酸酶),再一个脱氢(苹果酸脱氢酶,辅酶NAD+)氧化作用,最后生成草酰乙酸,为下一轮循环使用。同时,其中的能量以FADH2 和NADH的形式被捕获。
(二)柠檬酸循环的特点
1.柠檬酸循环的反应位于线粒体间质中。乙酰CoA 是胞液中糖的酵解与柠檬酸循环之间的纽带。进入的二碳化合物乙酰CoA 与草酰乙酸缩合成柠檬酸,后经异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶催化的两次脱羧反应,也以两个CO2 的形式离开循环。循环中参加反应的物质没有减少,但同位素标记证明:离开循环的两个碳原子不是新进入的乙酰CoA 的碳原子,而是草酰乙酸的碳原子。
2.循环中消耗了两个分子的水,一个用于柠檬酰CoA 水解生成柠檬酸,另一个用于延胡索酸的水合作用。
3.循环中共有4 对氢离开循环。分别为:头两对在异柠檬酸和α-酮戊二酸氧化脱羧反应中两分子NAD+脱氢;第三对是以FAD 在琥珀酸氧化反应中脱氢;第四对是以NAD+在苹果酸氧化中脱氢。这些NADH 和FADH2 只有氢由呼吸链传递到分子态氧时才能再生成NAD+和FAD。因此,分子态氧虽然并不直接参与柠檬酸循环,但这个循环只有在有氧条件下才能运转。不像糖酵解有需氧和不需氧两种方式。柠檬酸循环严格需氧。
4.循环中生成的NADH 和FADH2 经传递氢给氧生成水,同时生成ATP。其中每个NADH 产生3 个ATP,每个FADH:产生2 个ATP。所以每一个乙酰CoA 经柠檬酸循环共生成11 个ATP。再加琥珀酰CoA 高能硫酯键直接生成1 个ATP。整个循环共生成12 分子ATP。
5.循环不仅是葡萄糖生成ATP 的主要途径,也是脂肪、氨基酸等最终氧化分解产生能量的共同途径。
6.循环中的许多成分可以转变成其它物质(图4-6)。如琥珀酰CoA 是卟啉分子中碳原子的主要来源,α-酮戊二酸和草酰乙酸可以氨基化为
谷氨酸和天冬氨酸。反过来这些氨基酸脱氨后也生成循环中的成分。草酰乙酸还可以通过糖的异生作用生成糖。丙酸等低级脂肪酸可经琥珀酰CoA、草酰乙酸等途径异生成糖 (有关反应见脂肪代谢)。
由此可见,柠檬酸循环不仅是糖、脂肪、蛋白质及其它有机物质最终氧化分解的途径,也是这些物质相互转变、相互联系的枢纽。
(三)柠檬酸循环的调控 ATP 的需要决定了柠檬酸循环的速率。丙酮酸脱氢酶及循环中的柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶是循环的重要控制点。丙酮酸形成乙酸CoA 是一个关键性的不可逆步骤,所以动物不能把乙酰CoA 转变为葡萄糖,循环中其它成分也就不能通过乙酰CoA 生成糖。丙酮酸一旦转变为乙酰CoA,就把葡萄糖碳原子推上两条可能的道路,或进入柠檬酸循环彻底氧化为二氧化碳排出,并产生能量,或合成脂肪酸、胆固醇等(见脂类代谢)。因此,丙酮酸脱氢酶受到多个因素的调节。当细胞内ATP 浓度高时,这些因素相互影响以降低乙酰CoA 生成的速度,循环中柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶活性降低。
五、葡萄糖完全氧化产生的ATP
葡萄糖彻底氧化的总结果是:
C6H12O6+6O2――→6CO2+6H2O+能量
总反应的步骤见图4-7。
葡萄糖彻底氧化分解所释放的能量例表4-5。
从表4-5 可见每摩尔葡萄糖彻底氧化生成H2O和CO2时,净生成36mol(或38 molATP 原因见生物氧化)
C6H12O6+6O2 +36ADP+36H3PO4――→6CO2 +6H2O +36ATP这与糖酵解只生成2molATP 相比,约大18~19 倍。因此在一般情况下,动物体内各组织细胞(除红细胞外)都主要由糖的有氧分解获得能量。糖的有氧分解不但产能效率高,而且能量的利用率也极高。
据测定1 mol 葡萄糖分解为CO2 和H2O 时,共放出能量约2872.14kJ。生成的36mol ATP(每摩尔ATP 按30.56 kJ 计算)共储存可为机体做功的能量约为1100.29kJ,其余以热能散失。故糖有氧氧化过程提供可利用的能量占其总释放能量的百分数为1100.29/2872.14×100%=38%。其热力学效率是相当高的。
 楼主| 发表于 2011-11-18 17:54:23 | 显示全部楼层
第三节 磷酸戊糖途径

葡萄糖在体内主要的分解途径是经过糖酵解、柠檬酸循环产生CO2 和H2O 同时释放大量的ATP,供机体需要。此外,葡萄糖还存在另一条途径即直接氧化为核糖(5碳糖),同时将能量以一种还原力的形式贮存下来供机体生物合成时使用。这个途径是1931 年瓦博(Otto Warburg)发现6-磷酸葡萄糖脱氢酶开始研究的,称为磷酸戊糖途径(Pentose phosphate pathway),有时也称戊糖支路、己糖-磷酸途径或磷酸葡萄糖酸

氧化途径。反应完全在细胞质中进行。

一、磷酸戊糖途径的反应

磷酸戊糖途径是从6-磷酸葡萄糖开始,反应可分为氧化性和非氧化性两个分枝。

(一)氧化性分枝 即从6-磷酸葡萄糖氧化为5-磷酸核糖。反应如下:
从反应中可以看到: (1)6-磷酸葡萄糖被直接脱氢,并经两步脱氢氧化分解为戊糖和CO2。(2)反应分别由①6-磷酸葡萄糖脱氢酶;②内酯酶;③6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶催化。其中两个脱氢酶①、③所需要的辅助因子是NADP+而不是NAD+。产生两分子还原物NADPH+H+。

反应中生成的戊糖5-磷酸核酮糖由磷酸戊糖异构酶转化变为5-磷酸核糖:

(二)非氧化分枝 氧化分枝中每一个6-磷酸葡萄糖被氧化产生两个NADPH 和一个5-磷酸核糖。NADPH 用于还原性的生物合成,5-磷酸核糖用于合成核苷酸和核酸。但细胞中所需要的NADPH 比5-磷酸核糖多得多。这样,多余的5-磷酸核糖由转酮醇酶和转醛醇酶经三、四、五、六和七碳糖的相互转变,形成为3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖,反应如下:

1.氧化分枝生成的5-磷酸核酮糖在磷酸戊糖差向酶的催化下转变为5-磷酸木酮糖:

2.由5-磷酸木酮糖和5-磷酸核糖在转酮醇酶和转醛醇酶催化下,经七碳糖生成1 分子6-磷酸果糖和1 分子四碳糖(4-磷酸赤藓糖):

3。由转酮醇酶催化4-磷酸赤藓糖和5-磷酸木酮糖合成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛:

(三)总结以上反应 第一,2、3 反应的总和是:

2(5-磷酸木酮糖)+5-磷酸核糖←―→2(6-磷酸果糖)+3-磷酸甘油醛。由于5-磷酸木酮糖是通过磷酸戊糖差向酶从5-磷酸核糖转变而来,所以上述反应可以认为是:

3(5-磷酸核糖) ←—→2(6-磷酸果糖)+3-磷酸甘油醛。

这样,由氧化分枝途径生成的多余5-磷酸核糖,可以通过非氧化分枝途径转变为两个已糖和一个丙醣,它们都是糖酵解的中间产物,可被分解供给能量。

第二,在非氧化分枝途径中转酮醇酶和转醛醇酶起着重要的作用,它们开辟了一种磷酸戊糖途径与糖酵解之间的可逆联系。这些反应中转酮醇酶转移一个两碳单位,转醛醇酶转移一个三碳单位。供给两或三碳单位的总是酮糖,受体则是醛糖。转酮醇酶的辅基是TPP,与丙酮酸脱氢酶复合体及α-酮戊二酸脱氢酶复合体一样依赖于维生素B1。

磷酸戊糖途径列表4—6。

二、磷酸戊糖途径的生理意义

1.磷酸戊糖途径的重要产物是NADPH 和5-磷酸核糖。NADPH 是细胞中易于利用的还原能力,它不被呼吸链氧化产生ATP,而是在还原性的生物合成中作氢和电子的供体。脂肪酸的合成中乙酰CoA 到脂肪酸的还原性生物合成需要大量的NADPH。其它组织如骨骼肌中磷酸戊糖途径的活性很低,而脂肪组织中活性很高就是很好的证明。

5-磷酸核糖是生物体合成核苷酸和核酸(DNA 和RNA)的重要成分。

2.磷酸戊糖途径中分为氧化分枝和非氧化分枝途径。其中非氧化分枝途径使磷酸戊糖途径与糖酵解途径相互连接,而且转酮醇酶、转醛醇酶的催化反应是可逆的,这样使机体可以根据体内NADPH、5-磷酸核糖和ATP 之间的需要而进行调节:

(1)当NADPH 的需要比5-磷核糖酸多得多时,非氧化分枝生成的6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛可经糖异生途径,再合成6-磷酸葡萄糖。也就是磷酸戊糖途径中生成的5-磷酸核糖通过转酮醇酶、转醛醇酶及葡糖异生途径而再循环至6-磷酸葡萄糖。

6-磷酸葡萄糖再进入磷酸戊糖途径反应如下:
6(6-P-G)+12NADP++6H2O 氧化分枝6(5-P-R)+12NADPH+12H+ +6CO2
6(5-P-G) 非氧化分枝4(6-P-F)+2(3-P-甘油醛)
4(6-P-F)+2(3-P-甘油醛)+H2O 非氧化分枝5(6-P-G)
这些反应的总和为:
6-P-G+12NADP+ +7H2O 6CO2 +12NADPH+12H++Pi
这相当于一个6-磷酸葡萄糖完全氧化为CO2,同时产生12 个NADPH+H+。
当然产生的5-磷酸核糖可以在另一条途径即生成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛后不是异生成6-磷酸葡萄糖而是顺酵解途径而下生成丙酮酸产生ATP。丙酮酸被氧化后产生更多的ATP。这样可同时产生ATP 和NADPH+H+。

(2)当需要5-磷酸核糖比NADPH 多得多时,6-磷酸葡萄糖不经磷酸戊糖途径的氧化分枝,而是先通过酵解途径转变成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛。然后经转醛醇酶和转酮醇酶逆转将两分子6-磷酸果糖和一分子3-磷酸甘油醛变为3 分子3-磷酸核糖:

5(6-P-G)+5ATP→ 6(3-P-R)+ADP+5H+

(3)当需要的NADPH 和5-磷酸核糖平衡时,6-磷酸葡萄糖主要通过磷酸戊糖途径形成两个NADPH 和一个5-磷酸核糖:

6-P-G+2NADP+ +H2O→ 5-P-R+2NADPH+2H+ +CO2
 楼主| 发表于 2011-11-18 17:57:49 | 显示全部楼层
第四节 葡萄糖异生作用

一、葡萄糖异生作用的生物学意义

葡萄糖是生物体不可缺少的物质。它供给机体能量,特别是大脑组织几乎完全是以葡萄糖为主要的供能物质。一个成年人的脑,每天所需的葡萄糖约为120g, 占了整个躯身每天所需要的160g 葡萄糖的大部分。所需的这些葡萄糖主要由血液中的葡萄糖及时补充,当血糖降低时,糖原(见第四节)将分解补充血糖,满足需要。但血糖和糖原都只是暂时性保证葡萄糖的需要,如果在饥饿时间较长,不能从食物中获得葡萄糖时,机体即将启动葡萄糖异生作用。所谓葡萄糖异生作用(gluconegenesis)即是由非糖前体物质合成葡萄糖的过程(以下简称为葡糖异生作用)。葡糖异生作用在剧烈运动时也是很重要的,可以保证糖酵解的进行。

草食动物,特别是反刍动物,葡糖异生作用不仅仅是在饥饿或剧烈运动时,能将非糖物质转变成葡萄糖保证葡萄糖的需要,而且是体内葡萄糖唯一的来源。因为反刍动物是将瘤胃中的淀粉、纤维素发酵产生的丙酸、丁酸、乙酸等低级脂肪酸经异生作用转变为葡萄糖的。

体内的非糖前体物质主要是乳酸、氨基酸和甘油。葡糖异生的主要场所是肝脏。肾脏也能发生葡糖异生但形成的葡萄糖仅为肝脏产量的1/10。脑、骨骼肌或心肌中极少发生异生作用。肝脏和肾脏异生的葡萄糖可以保证血糖的衡定,因此脑和肌肉可以从血液中汲取足够量的葡萄糖以满足饥饿状态下代谢的需要。

二、葡萄糖异生作用的反应途径
这里仅介绍体内乳酸等前体物的异生途径,有关反刍动物将低级脂肪酸异生为糖的途径将在脂肪代谢中介绍。

乳酸的异生反应途径,实际上是将丙酮酸转变为葡萄糖。糖酵解是将葡萄糖变为乳酸,在糖异生作用中则是将乳酸转变为葡萄糖,但葡糖异生反应的过程并非是糖酵解的逆转。因为糖酵解时释放了大量的能量,热力学平衡主要偏于乳酸的形成。

其中己糖激酶、磷酸果糖酸酶和丙酮酸激酶等所催化的三个反应,释放的自由能最大,形成不可逆反应:
G+ATP已糖激酶→ 6-P-G 十ADP
6-P-F+ATP磷酸果糖激酶→1,6-2P-F+ADP
PEP+ADP→丙酮酸+ATP
在葡糖异生中,以上三个不可逆的反应是通过以下新的步骤而绕过来的:
1.磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate PEP)是由丙酮酸经草酰乙酸而形成。

首先,丙酮酸消耗一分子ATP 被羧化为草酰乙酸。然后,草酰乙酸又消耗第二个高能磷酸键脱羧并磷酸化,生成磷酸烯醇式丙酮酸:
丙酮酸+CO2+ATP+H2O←→草酰乙酸+ADP+Pi+2H+
草酰乙酸+GTP←→磷酸烯醇式丙酮酸+GDP+CO2
催化第一个反应的是丙酮酸羧化酶;催化第二个反应的是磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶。以上两步反应总和是:
丙酮酸+ATP+GTP+H2O←→磷酸烯醇式丙酮酸+ADP+GDP+Pi+2H+
丙酮酸羧化酶是在线粒体中发现的。它的辅基是生物素。生物素以它的羧基末端与酶蛋白赖氨酸残基ε-氨基形成酰胺基,成为一条很灵活的链连接于酶上,它起着活化的CO2 载体的作用。
丙酮酸的氧化分两步进行:
生物素~酶+ATP+HCO-
3 →CO2-生物素~酶+ADP+Pi
CO2-生物素-酶+丙酮酸→生物素~酶+草酰乙酸
反应中需要乙酰CoA 的存在。只有乙酰CoA 结合于酶上,生物素才被羧化。产物草酰乙酸既是葡萄糖异生作用的中间产物,又是柠檬酸循环的催化性中间产物。乙酰CoA 的量多表明会产生更多的草酰乙酸。此时如果ATP 有富余,草酰乙酸就可进入葡糖异生作用生成糖。如果ATP 不足,草酰乙酸就与乙酰CoA 缩合进入柠檬酸循环。因此,丙酮酸羧化酶不仅在葡萄糖异生中是重要的,在维持柠檬酸循中间产物的水平方面也起着关键性的作用。

丙酮酸羧化酶存在于线粒体内,葡糖异生的其它酶则存在于胞质中。由于草酰乙酸不能透过线粒体膜,因此生成的草酰乙酸被NADH-苹果酸脱氢酶还原为苹果酸。苹果酸被载体运过线粒体膜,在胞质中再被NAD+-苹果酸脱氢酶氧化为草酰乙酸。
草酸乙酸在细胞质中被磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶同时发生脱羧(CO2)和磷酸化。这样原来被丙酮酸羧化酶加到丙酮酸上的CO2 在此步又脱下,有如一个催化剂。

2.6-磷酸果糖是由1,6-二磷酸果糖酶水解1,6-二磷酸果糖而生成:
1,6-二磷酸果糖+H2O→6-磷酸果糖+Pi
22
3.葡萄糖是由葡萄糖6-磷酸酶催化葡萄糖6-磷酸水解而成:
6-P-G+H2O→G+Pi
葡糖异生的途径总结如图4—7。糖酵解与葡糖异生在酶方面的差异如表4—7。
表4—7 糖酵解与葡糖异生在酶方面的差异
糖酵解 葡萄糖异生
已糖激酶
磷酸果糖激酶
丙酮酸激酶
6-P-G 酶
1,6-2P-G 酶
磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶

三、底物循环

在葡糖异生反应中,象6-磷酸果糖磷酸化为1,6-二磷酸果糖和后者又被水解为6-磷酸果糖这样一对由不同酶催化的正逆反应称为底物循环。在正常情况下,正逆反应不会同时活跃,如果正逆反应以同样速度进行,将会造成ATP 的无效循环(futile
cycle),使体温升高。现在认为,底物循环可能是放大代谢信号的一种调控手段。

四、乳酸异生为葡萄糖的意义

乳酸是葡糖异生的主要原料。在糖酵解中我们已知乳酸是在无氧条件下,糖分解供给能量的产物。由于糖酵解要继续不断进行就要依赖于NAD+的供应。NAD+是氧化3-磷酸甘油醛的重要物质,而被还原的NADH 在无氧条件下不能进入呼吸链氧化,只能使丙酮酸还原为乳酸,NADH 才能氧化为NAD+,以保证NAD+的循环使用。

这样就必然有大量的乳酸生成。特别是不断收缩的骨骼肌中乳酸的含量骤升 。乳酸是糖酵解代谢的盲端。乳酸只有再转变为丙酮酸,否则不能被代谢。但是乳酸的形成使机体赢得能量且将部分的代谢负担由肌肉转向肝脏。因为乳酸和丙酮酸都能透过细胞质膜,所以活跃的骨骼肌中产生的乳酸迅速扩散进入血液并被带人肝脏。乳酸在肝脏被氧化为丙酮酸并经葡糖异生途径转变为葡萄糖。生成的葡萄糖再进入血液并被骨骼肌吸收.这样肝脏给收缩的肌肉提供葡萄糖,肌肉则从葡萄糖的酵解中获得ATP 和乳酸,肝脏再用乳酸异生成葡萄糖。这些转变组成一个循环,称为Cori 循环。无论在肌肉和肝脏中乳酸二丙酮酸的转变,乳酸脱氢酶起了重要的作用。
 楼主| 发表于 2011-11-18 18:03:14 | 显示全部楼层
第五节 糖原

糖原(glycogen)是在机体的葡萄糖供应充足的情况下,一种极易被动员的贮存形式。糖原是由葡萄糖残基构成的含许多分枝的大分子高聚物。呈颗粒状直径在100-400μm 之间。主要贮存在肝脏和骨骼肌的细胞质中。肝脏中糖原浓度最高,但骨骼肌因肌肉数量最大,因此糖原贮藏最多。

一、糖原的合成
由葡萄糖合成糖原的过程,称为糖原生成作用(glycogenesis),包括下列4 个反应步骤:

1.葡萄糖被ATP 磷酸化为6-磷酸葡萄糖。这个反应与葡萄糖分解时相同。在肌肉中此反应由己糖激酶催化,肝脏中由己糖激酶及葡萄糖激酶催化。肝脏为什么要设置两种酶来催化同一反应呢?原来己糖激酶的Km 值为0.1mmol/L,葡萄糖激酶的Km 值为10 mmol/L。当血液中葡萄糖浓度不低于0.1mmol/L 的情况下,葡萄糖即可被己糖激酶催化为6-磷酸葡萄糖,以满足肌肉、肝脏组织能量的需要。而且己糖激酶除催化激活葡萄糖外还可以催化其它己糖。由于生成的6-磷酸葡萄糖不能逸出细胞膜,所以过多的部分在细胞内形成糖原贮藏。但己糖激酶受产物6-磷酸葡萄糖的反馈控制, 即过多的6-磷酸葡萄糖将降低己糖激酶的活性。所以依靠己糖激素不可能贮藏很多的糖原。肝脏中的情况则不同,当外源葡萄糖大量涌人,己糖激酶也被自身催化生成的6-磷酸葡萄糖抑制时,高浓度的葡萄糖启动了葡萄糖激酶(10mmol/L 以上),于是大量葡萄糖仍转化为6-磷酸葡萄糖,而且葡萄糖激酶不受产物的反馈控制,这样就促进了糖原的大量合成。因此,肝脏贮藏的糖原浓度高于肌肉。

2.6-磷酸葡萄糖在葡萄糖变位酶催化下生成1-磷酸葡萄糖。

3.1-磷酸葡萄糖在UDP-葡萄糖焦磷酸化酶的催化下与尿苷三磷酸(UTP)合成UDP-葡萄糖反应生成的焦磷酸(PPi),水解后成正磷酸,使整个反应不可逆。形成的UDP—葡萄糖是合成糖原的重要活性形式。

4.UDP-葡萄糖在糖原合成酶的催化下被转移到细胞内原有的糖原(引物)末端C-4 的羟基上,形成α-1,4-糖苷键,使原有的糖原增加一个葡萄糖残基。所谓引物糖原是指至少含有4 个以上葡糖残基的多糖链。存在有这种多糖链糖原合成酶才能把葡萄糖基加上去。这段糖基是由不同的合成酶合成的.

重复上述反应,使糖原分子以α-1,4-糖苷键相连的支枝逐渐延长。但当延长至6个葡萄糖残基以上时,在分枝酶的作用下,其所含部分葡萄糖(约7 个)脱落,并以1,6 糖苷键与原分子的另一葡萄糖残基相连,形成新的分枝。以此形成多分枝的高聚体。
新分枝的点距离已存在的分枝点必须至少有4 个残基。原增加分枝可以提高糖原的溶解度。同时分枝造成许多非还原性末端残基,它们是糖原磷酸化酶与合成酶的作用部位。所以,分枝增加了糖原合成与分解的速度。

二、糖原的分解

生物体系中合成与分解的途径几乎总是不同的。糖原分解的途径也不同于合成途径。糖原分解是在磷酸化酶的催化下进行磷酸解作用,即正磷酸使糖苷键裂解,从糖原分子的非还原端顺序地逐个移去葡萄糖残基,生成1-磷酸葡萄糖;但当磷酸化酶分解到达一个距分枝点4 个糖残基时,就停止分解,如图4—9 所示:
在磷酸化酶、转移酶和脱枝酶的配合作用下,糖原分子逐步缩小,分枝逐步减少。最后糖原分解为1-磷酸葡萄糖和少量的游离葡萄糖。糖原分解释放的游离葡萄糖主要被大脑和骨骼肌所吸收。1-磷酸葡萄糖则在磷酸变位酶的作用下转变为6-磷酸葡萄糖。磷酸化的葡萄糖不能扩散到细胞外,因此生成的6-磷酸葡萄糖在肌肉中主要是分解供能。

肝脏与骨骼肌不同,肝脏含一种水解酶,6-磷酸酶葡萄糖,它使6-磷酸葡萄糖水解生成葡萄糖离开肝脏:
6-P-G+H 2O——→葡萄糖+Pi
葡萄糖6-磷酸酶是肝脏保证血糖稳定的重要酶,也是葡糖异生途径所必不可少的酶。

三、糖原代谢调节
葡萄糖是机体主要的能量来源。糖原是两次进食期间葡萄糖暂时贮藏的形式,是保证血糖稳定及时供给葡萄糖,应激供能的重要物质。糖原的这种重要性使糖原的代谢受到了神经、体液及器官的调控。通过糖原代谢的调节可以看到机体一个整体调节的例子。
1.磷酸化酶的特点 磷酸化酶是糖原分解的第一个酶。这个酶在骨骼肌中以两种可以互变的形式存在:一种是有活性的磷酸化酶a,另一种是无活性的磷酸化酶b。

这种酶是一个二聚体。在静止的肌肉中,几乎所有磷酸化酶都处于b 型。但当肌肉运动,消耗ATP,生成AMP 时,高浓度的AMP 可以使磷酸化酶b 具有活性。相反ATP 和6-磷酸葡萄糖抑制磷酸酶b 的活性(图4—10)。

磷酸化酶b 变a 型需要磷酸化酶激酶的催化,使磷酸化酶b 每个亚基的一个丝氨酸残基发生磷酸化。生成的磷酸化酶a 活性不受AMP、ATP 及6-磷酸葡萄糖水平的影响。

2.级联方式控制磷酸化酶活性 磷酸化酶激酶催化磷酸化酶b 变为a。然而,发现细胞内磷酸化酶激酶自身也是由一种蛋白激酶催化,磷酸化后才从无活性变为有活性。不仅如此,蛋白激酶又只有在环腺苷酸(cAMP)与之结合才会引起变构从无活性变为有活性。

cAMP 则由与细胞质膜相结合的一种腺苷酸环化酶催化ATP 生成:
而腺苷酸环化酶只有在激素的作用下才能活化。已经证明有些激素并不进入它们的靶细胞,而是结合在质膜上并促进腺苷酸环化酶活性升高。由以上可见,在这里形成了一个酶促酶的级联式机制(图4—11)。

这种连续用一个酶活化下一个酶的酶级联机制,是细胞调节中一种非常迅速地放大调节物浓度的效应机制。在这种情况下,只要cAMP 的浓度发生很小的变化,即可使大量的磷酸化酶活化或灭活,在瞬间内使糖原分解或停止分解转向合成。以适应动物在应激状态下能量的需求。

3.调节糖原代谢的激素 糖原的合成与分解有不同的途径。这表明它们必定受到严格的控制。体内调控这两条途径的激素主要有胰岛素。它是一种多肽激素,其功能是促进肝脏糖原的合成及细胞内葡萄糖的分解供能。另外是肾上腺素和胰高血糖素,它们的效应和胰岛素相反。它们都促进糖原分解。肾上腺素显著地促进肌肉中糖原分解;胰高血糖素则促进肝脏糖原的分解,从而提高血糖的水平。

肾上腺素和胰高血糖素并不进入靶细胞,而是与细胞质膜结合使腺苷酸环化酶活化,进而引起细胞内酶的级联反应,迅速动员糖原,保证机体及时得到能量.

4.钙离子(Ca2+)调节 已经证明:催化磷酸化酶b 磷酸化为磷酸化酶a 的磷酸化酶激酶,不仅受上述酶的级联机制调节,还可以被10-6mol/L 左右的Ca2+活化,促进形成磷酸化酶a,促进糖原分解。这种活化方式在生物学上具有重要的意义。因为10-6mol/L 的Ca2+浓度不仅可激活磷酸化酶激酶,而且恰好是引起肌肉收缩的浓度,这样通过Ca2+浓度就把肌肉收缩运动与糖原分解供能联系起来了,使得肌肉的收缩能及时得到能量的供应。而Ca2+浓度的改变是由神经冲动引起的,这样Ca2+就建立了磷酸化酶活性与神经调节的桥梁(见图4—11)。

5.糖原代谢的整体调节 由以上可以看出:主管分解糖原的磷酸化酶是受到多个因素的调节,而这些调节保证了机体在各种状态下能量的供应。正常情况下,能量供应充足,ATP、6-磷酸葡萄糖浓度高抑制了磷酸化酶的活性,因此糖原不分解。但如果肌肉运动加强,消耗能量多,AMP 浓度升高,于是AMP促进磷酸化酶活性升高,糖原分解,促进能量产生。但在动物遇到危险信号或激怒等应激条件时,要准备战斗或逃跑,此时不能因为能量供应缓慢而受到限制。要知道此时能够在9s 而不是10s 由A 地跑到B 地,可具有保存生命的价值。因此,此时既使细胞内的能量(ATP)和6—磷酸葡萄糖的浓度处在已够高的情况下,仍需加快糖原的分解。动物此时处于应激状态,则通过大脑皮层促使肾上腺髓质分泌肾上腺素,肾上腺素如上所述即引起了细胞内酶的级联机制,以最快的速度使磷酸化酶b 转化为活性的a,促进糖原分解。当然如果应激状态消失,肾上腺素不分泌级联机制瞬间停止,糖原不分解转而合成。

但当动物真的要战斗和逃跑时还需要肌肉的运动,单是激素的调控仍不能满足要求,因为此时需要同时调控供能代谢及肌肉收缩,并使二者协调。在这种情况下,动物采取了神经调控的机制。神经冲动使肌浆中Ca 2+浓度迅速增至10-6mol/L,于是肌肉收缩与糖原分解同步进行。保证动物战胜敌人或逃离危险保存了生命。

从磷酸化酶的调节中可见体内所有代谢都受到机体多层次的严格调控,正是这种调控使动物体与环境得到了协调统一。
 楼主| 发表于 2011-11-18 18:04:41 | 显示全部楼层
第六节 糖代谢各途径之间的联系

综上所述可见,糖在动物体内的主要代谢途径有:糖原的分解与合成;糖酵解作用;糖有氧氧化;磷酸戊糖途径和糖的异生作用等.其中有释放能量(产生ATP)的分解代谢,也有消耗能量(ATP)的合成代谢。这些代谢途径的生理功用不同,但又通过共同的代谢中间产物互相联系和互相影响,构成一个整体。现将糖代谢各个途径总结如图4—12。

从图中可见,糖代谢的第一个交汇点是6-磷酸葡萄糖,它把所有糖代谢途径都沟通了。通过它葡萄糖可转变为糖原,糖原亦可转变为葡萄糖(肝、肾)。而且由各种非糖物质异生成糖时都要经过它再转变为葡萄糖或糖原。在糖的分解代谢中,葡萄糖或糖原也是先转变为6—磷酸葡萄糖,然后或经酵解途径及有氧氧化途径进行分解,或经磷酸戊糖途径进行转化分解。
图4—12 糖代谢途径①②③④是糖异生作用的关键反应———①丙酮酸羧化酶 ②磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 ③果糖二磷酸酶 ④葡萄糖-6-磷酸酶(肝,肾)第二个交汇点是3-磷酸甘油醛,它是酵解和有氧氧化的中间产物,也是磷酸戊糖途径的中间产物。第三个并汇点是丙酮酸。当葡萄糖或糖原分解至丙酮酸时,在无氧的情况下,它接受由3-磷酸甘油醛脱下的2H 还原为乳酸(酵解过程)。在有氧的情况下,3-磷酸甘油醛脱下的氢经呼吸链与氧结合生成水,而丙酮酸经乙酰CoA 最后通过三羧循环彻底氧化为CO2 和H2O。另外,丙酮酸还可经草酰乙酸生成糖(葡糖异生),它是许多非糖物质生成糖的必经途径

此外,通过磷酸戊糖途径使戊糖与己糖的代谢联系起来,而各种己糖与葡萄糖的互变,又沟通了各种己糖的代谢。

总之,在研究代谢中,虽然是一个途径一个途径的叙述,但实际上是互相紧密地联系在一起的。而且不仅糖代谢本身的各个途径是相互联系的,通过柠檬循环还和蛋白质、脂肪等的代谢通过中间产物互相联系起来。

正是由于糖代谢各途径相互联系,乃至于与蛋白质,脂肪代谢的联系,所以前面讲述关于对磷酸化酶及糖原的调节,也就是对整体糖代谢各途径的调节,也至是对生物整体代谢的调节。
发表于 2011-11-27 23:42:43 | 显示全部楼层
学习
发表于 2011-12-9 10:59:03 | 显示全部楼层
顶个!下来看看啊。
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

QQ|小黑屋|手机版|Archiver|中国兽医教育网 ( 皖ICP备12000803号  加速乐统计

GMT+8, 2017-10-23 15:49 , Processed in 0.515029 second(s), 24 queries .

Powered by Discuz! X3.2 Licensed

© 2001-2013 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表