第25章　戊糖磷酸途徑和糖的其他代謝途徑

25.1　復習筆記

一、戊糖磷酸途徑

1．戊糖磷酸途徑的主要反應

（1）概述

①戊糖磷酸途徑又稱戊糖支路、己糖單磷酸途徑、磷酸葡糖酸氧化途徑及戊糖磷酸循環。

②戊糖磷酸途徑是糖代謝的第二條重要途徑。這條途徑在細胞溶膠內進行，廣泛存在于動植物細胞內。

③糖磷酸途徑的核心反應式為：

④戊糖磷酸途徑劃分為兩個階段：氧化階段和非氧化階段。

（2）氧化階段

這個階段包括段包括三步反應：

①在葡萄糖-6-磷酸脫氫酶作用下，葡萄糖-6-磷酸轉變成6-磷酸葡萄糖酸-Δ-內酯。以NADP＋作為輔酶；

②在6-磷酸葡萄糖酸內酯酶作用下，6-磷酸葡萄糖酸-Δ-內酯轉變成6-磷酸葡萄糖酸；

③在6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶作用下，6-磷酸葡萄糖酸轉變為核酮糖-5-磷酸。以NADP＋作為電子受體，催化的反應包括脫氫和脫羧步驟。

（3）非氧化反應階段

①核酮糖-5-磷酸在其異構酶作用下，通過形成烯二醇中間產物，異構化為核糖-5-磷酸，糖酵解過程中葡萄糖-6-磷酸→果糖-6-磷酸，二羥丙酮磷酸→甘油醛-3-磷酸均通過烯二醇中間產物步驟。

②核酮糖-5-磷酸在核酮糖-5-磷酸-差向異構酶作用下轉變為木酮糖-5-磷酸。

③木酮糖-5-磷酸和核糖-5-磷酸在轉酮酶作用下，轉變為景天庚酮糖-7-磷酸和甘油醛-3-磷酸。此步驟將戊糖磷酸途徑與糖酵解途徑相聯系，形成中間代謝產物甘油醛-3-磷酸。

④景天庚酮糖-7-磷酸和甘油醛-3-磷酸在轉醛酶作用下轉變成果糖-6-磷酸和赤蘚糖-4-磷酸在轉醛酶。

⑤木酮糖-5-磷酸和赤蘚糖-4-磷酸在轉酮酶作用下生成甘油醛-3-磷酸和果糖-6-磷酸。

甘油醛-3-磷酸和果糖-6-磷酸是糖酵解途徑的兩個中間產物。果糖-6-磷酸可在磷酸葡萄糖異構酶催化下轉變為葡萄糖-6-磷酸。

⑥一個葡萄糖-6-磷酸分子通過戊糖磷酸途徑的總反應式：

非氧化反應階段均為可逆反應，保證了細胞能以滿足自己對糖代謝中間產物以及大量還原力的需求。

圖25-1  戊糖磷酸途徑總覽

2．戊糖磷酸途徑反應速度的調控

（1）戊糖磷酸途徑氧化階段的第一步反應，是不可逆的，屬于限速反應，是-個重要的調控點。最重要的調控因子是NADP＋的水平。NADP＋/NADPH的比值直接影響葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的活性。

（2）轉酮酶和轉醛酶反應都是可逆反應。因此根據細胞代謝的需要，戊糖磷酸途徑和糖酵解途徑可靈活地相互連系。

（3）戊糖磷酸途徑中葡萄糖-6-磷酸的去路，可受到機體對NADPH、核糖-5-磷酸和ATP不同需要的調節。可能有3種情況：

①機體對核糖-5-磷酸的需要遠遠超過對NADPH的需要，可見于細胞分裂期，化學反應式：

②機體對NADPH的需要和對核糖-5-磷酸的需要處于平衡狀態，化學反應式：

③機體需要的NADPH遠遠超過核糖-5-磷酸，因此葡萄糖-6-磷酸徹底氧化為CO₂，化學反應式：

總反應式：

（4）戊糖磷酸途徑形成的核糖-5-磷酸還可轉變為丙酮酸。由核糖-5-磷酸形成的果糖-6-磷酸和甘油醛-3-磷酸即可進入糖酵解途徑。因此既可產生ATP又可產生NADPH，同時由葡萄糖-6-磷酸中的5個碳原子形成丙酮酸。總反應式：

4．戊糖磷酸途徑的生物學意義

（1）戊糖磷酸途徑是細胞產生還原力（NADPH）的主要途徑

①生活細胞將獲得的燃料分子經分解代謝將一部分高潛能的電子通過電子傳遞鏈傳至O₂，產生ATP提供能量消耗的需要，另一部分高潛能的電子并不產生ATP，而是以還原力的形式保存下來，供還原性生物合成的需要；

②在紅細胞中戊糖磷酸途徑提供的還原力可保證紅細胞中的谷胱甘肽處于還原狀態。細胞需要大量的還原型谷胱甘肽來維持血紅蛋白運輸氧的功能。紅細胞內的的NADPH被氧化，使細胞因缺乏NADPH而容易破裂，結果造成嚴重的溶血性貧血癥，嚴重者甚致因大量紅細胞破裂而導致死亡。

（2）戊糖磷酸途徑是細胞內不同結構糖分子的重要來源，并為各種單糖的相互轉變提供條件

二、糖的其他代謝途徑

1．葡糖糖異生作用

葡糖異生作用是指以非糖物質作為前體合成葡萄糖的作用。非糖物質包括乳酸、丙酮酸、丙酸、甘油以及氨基酸等。

2．葡糖異生作用的途徑

（1）葡糖異生作用和糖酵解作用的關系

①葡糖異生作用大部分是糖酵解過程的逆反應，但并不完全是糖酵解過程的逆反應。糖酵解過程有三步反應是不可逆的。

a．由己糖激酶催化的葡萄糖和ATP形成葡萄糖-6-磷酸和ADP；

b．由磷酸果糖激酶催化的果糖-6-磷酸和ATP形成果糖-1,6-二磷酸和ADP；

c．由丙酮酸激酶催化的磷酸烯醇式丙酮酸和ADP形成丙酮酸和ATP的反應。

②葡糖異生作用要利用糖酵解過程中的可逆反應步驟必須對上述3個不可逆過程采取迂迥措施繞道而行。

（2）葡糖異生對糖酵解的不可逆過程采取的迂迥措施

①丙酮酸通過草酰乙酸形成磷酸烯醇式丙酮酸。該措施分兩步進行：

a．丙酮酸在以生物素為輔基的丙酮酸羧化酶催化下，消耗一個ATP分子的高能磷酸鍵形成草酰乙酸。

b．草酰乙酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）催化下，形成磷酸烯醇式丙酮酸。該反應需消耗一個GTP分子，反應如下：

②果糖-1,6-二磷酸在果糖-l,6-二磷酸酶催化形成果糖-6-磷酸，為放能反應。

③葡萄糖-6-磷酸在葡萄糖-6-磷酸酶催化下水解為葡萄糖。

葡萄糖-6-磷酸酶是結合在光面內質網膜的一種酶，它的活性需有一種與Ca2＋結合的穩定蛋白協同作用。

表25-1  糖異生作用和糖酵解作用的比較

圖25-2  葡糖異生途徑總覽圖

3．由丙酮酸形成葡萄糖的能量消耗及意義

（1）由兩分子丙酮酸形成一分子葡萄糖的總反應式：

上述反應的。

（2）萄糖異生需消耗4個額外的高能鍵。此外，ATP分子參加反應可改變反應的平衡常數，使其變為1032，這也表明葡糖異生作用在熱力學上是有利的。

4．葡糖異生作用的調節

（1）葡糖異生作用和糖酵解作用有密切的相互協調關系。兩者的相互制約又相互協調的關系主要由兩種途徑不同的酶活性和濃度起作用。

①磷酸果糖激酶（PFK）和果糖-1,6-二磷酸酶的調節

a．AMP對磷酸果糖激酶有激活作用，它使使糖酵解過程加速進行，同時果糖-1,6-二磷酸酶不再促進葡糖異生作用；

b．ATP和檸檬酸對磷酸果糖激酶起抑制作用，當二者的濃度升高時，磷酸果糖激酶受到抑制從而降低糖酵解作用，同時檸檬酸又刺激果糖-1,6-二磷酸酶，使葡糖異生作用加速進行；

c．果糖-2,6-二磷酸是一個信號分子，它對磷酸果糖激酶和果糖-1,6-二磷酸酶具有協同調控作用。果糖-2,6-二磷酸對磷酸果糖激酶具有強烈的激活作用，而對果糖-1,6-二磷酸酶有抑制作用；

d．葡萄糖供應豐富時，果糖-2,6-二磷酸作為信號分子處于高水平，它活化糖酵解作用并抑制葡糖異生途徑；

e．果糖-2,6-二磷酸受到破會會引起果糖-1,6-二磷酸酶活性增強，從而加速葡糖異生作用；

f．胰高血糖素/胰島素比值升高，會加速葡糖異生作用。

②丙酮酸激酶、丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶之間的調節

a．在肝臟中丙酮酸激酶受高濃度ATP和丙氨酸的抑制，高濃度的ATP和丙氨酸導致糖酵解作用就受到抑制；

b．當乙酰-CoA的含量充分時，丙酮酸羧化酶受到激活從而促進葡糖異生作用；

c．如果細胞的供能情況不充分，ADP的濃度升高，丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶都受到抑制，而使葡糖異生作用停止進行。因這時的ATP水平很低，于是糖酵解作用又發揮其有效作用；

d．丙酮酸激酶還受到果糖-1,6-二磷酸的正反饋激活作用，也加速糖異生作用的進行。

（2）底物濃度也起調節作用。葡萄糖的濃度對糖酵解起調節作用，乳酸濃度以及其他葡萄糖前體的濃度對葡糖異生起調節作用。

5．乳酸的再利用和可立氏循環（圖25-3）

乳酸屬于代謝的一種最終產物，只能再轉變為丙酮酸。肌肉細胞內的乳酸擴散到血液并隨著血流進入肝臟細胞，在肝細胞內通過葡糖異生途徑轉變為葡萄糖，又回到血液隨血流供應肌肉和腦對葡萄糖的需要。這個循環過程稱為可立氏循環。

圖25-3  可立氏循環（Coilcycle）示意圖

三、葡萄糖出入動物細胞的特殊運載機構

1．葡萄糖運載蛋白

葡萄糖運載蛋白是指葡萄糖出入細胞質膜是靠葡萄糖的特殊運送機構。

葡萄糖分子由于兩種不同構象的轉換，完成了它的跨膜轉移。葡萄糖的轉運是一種順濃度梯度下降形式的運載方式。

2．葡萄糖運載蛋白家族

（1）CLUT l和GLUT 3幾乎存在于所有哺乳類細胞，負責基本的葡萄糖攝取，因此這兩種運載蛋白不斷地以穩定的速度轉運葡萄糖到細胞內；

（2）GLUT 2存在于肝和胰腺的β細胞；

（3）GLUT 4主要存在于肌肉和脂肪細胞；

（4）GLUT 5存在于小腸細胞，是Na＋和葡萄糖的共同運載蛋白，負責從腸腔吸收葡萄糖；

（5）HLUT 7位于內質網膜，運載葡萄糖-6-磷酸進入內質網內。

四、乙醛酸途徑

1．概念

乙醛酸途徑又稱乙醛酸循環，這一途徑在動物體內并不存在，只存在于植物和微生物中。它是通過乙醛酸途徑使乙酰-CoA轉變為草酰乙酸從而進入檸檬酸循環。

圖25-4  乙醛酸途徑示意圖

2．乙醛酸循環體

乙醛酸循環體是植物膜所特有的亞細胞結構，包括只存在于乙醛酸循環體中的兩種酶：異檸檬酸裂合酶和蘋果酸合酶。

3．乙醛酸途徑的總反應

乙醛酸途徑開始于草酰乙酸與乙酰-CoA的縮合。具體步驟如圖25-4。總反應式：

4．乙醛酸循環在植物種子中的意義

乙醛酸循環使萌發的種子將貯存的三酰甘油通過乙酰-CoA轉變為葡萄糖。

五、寡糖類的生物合成和分解

1．概論

（1）寡糖

寡糖是一類由含有以糖苷鍵形式相連接的糖分子構成的復雜化合物。寡糖的最常見的成分有甘露糖、N-乙酰葡糖胺、N-乙酰胞壁酸、葡萄糖、巖藻糖、半乳糖、N-乙酰神經氨酸及N-乙酰半乳糖胺等。

（2）糖基轉移反應

糖苷鍵的形成在生理條件下需要提供能量。催化形成糖苷鍵的酶稱為糖基轉移酶。參與轉移單糖的核苷酸有UDP（尿苷二磷酸）、GDP（鳥苷二磷酸）、CMP（胞苷酸）等，每種糖分子只與核苷酸中的一種相結合。

表25-2  糖基轉移反應中與單糖相應的核苷酸

2．乳糖的生物合成和分解

（1）乳糖的生物合成

①乳糖是寡糖中簡單寡糖的代表。乳糖由半乳糖和葡萄糖以β-糖苷鍵相連；

②乳糖的生物合成需要活化的半乳糖作為前體，UDP-半乳糖用作合成乳糖的前體；

③UDP-半乳糖來源于UDP-葡萄糖，是由UDP-葡萄糖在半乳糖-1-磷酸尿苷酰轉移酶催化下形成的；

④乳糖的生物合成反應式如下：

a．非乳腺組織：UDP-D-半乳糖＋N-乙酰-D-葡糖胺→D-半乳糖基-N-乙酰-D-葡糖胺＋UDP，酶為半乳糖基轉移酶。

b．授乳期的乳腺中：UDP-D-半乳糖＋D-葡萄糖→D-乳糖＋UDP，其中半乳糖基轉移酶與乳清蛋白結合，即乳糖合酶。

（2）乳糖的分解代謝H₂O

乳糖在消化道內的分解是由附著在小腸上皮細胞的外表面上的乳糖酶催化的。乳糖被水解后形成半乳糖和葡萄糖：

（3）乳糖不耐癥

①幾乎所有的嬰兒和幼兒都能消化乳糖，但到青年或成年之后，許多人小腸細胞的乳糖酶活性或是大部分或是全部消失，致使乳糖不能被完全消化或完全不能消化，也不能被小腸吸收。乳糖在小腸腔內會產生很強的滲透效應導致流體向小腸內流；在大腸內，乳糖被細菌轉變為有毒物質。因此出現腹脹、惡心、絞痛以及腹瀉等癥狀，臨床上稱為乳糖不耐癥。

②大腸桿菌能利用乳糖作為唯一的碳源，在乳糖代謝中所必需的酶就是β-半乳糖苷酶，β-半乳糖苷酶是一種可誘導酶，可將乳糖水解為半乳糖和葡萄糖。

3．糖蛋白的生物合成

（1）糖蛋白糖鏈生物合成

①糖蛋白中N-糖鏈的合成是和肽鏈的生物合成同時進行的，O-糖鏈的合成是在肽鏈合成后，對肽鏈進行修飾加工時將糖基逐個連接上去的；

②糖鏈的合成是由糖基作為供體和受體，在糖基轉移酶催化下完成的；

③糖基轉移酶對作為供體的糖基和受體都有嚴格的專一性；

④作為糖基供體的活化單糖最常見的活化形式有核苷二磷酸形式如UDP-Glc（尿苷二磷酸-葡萄糖），GDP-Man（鳥苷二磷酸-甘露糖）等；

⑤肽鏈中有許多特定氨基酸殘基可作為糖基的接受位，糖鏈延伸時，糖基的受體則是新接上去的糖基。

（2）糖蛋白寡糖部分與多肽鏈相連接的類型

①N-連接型寡糖

a．N-連接型寡糖（簡稱N-連寡糖），是寡糖分子以β-N-糖苷鍵的形式與多肽鏈相連；

b．相連的部分是多肽鏈的天冬酰胺（Asn）殘基。與Asn殘基相隔的氨基酸必須是絲氨酸（Ser）或蘇氨酸（Thr），與該殘基相連的氨基酸是除脯氨酸和天冬氨酸以外的任何氨基酸。這段序列的表示應為Asn-X-Ser或Asn-X-Thr；

c．N-連接類型的糖鏈-般由6至數10個糖基連接而成且都形成分支稱為“天線”。寡糖的糖基組分主要是N-乙酰氨基葡萄糖，此外還有半乳糖和甘露糖等；

d．以N-連接的寡糖中都有一個共同的五糖核心。其他附加的糖以不同的形式加在這個核心上，形成各式各樣的寡糖，可大致分為高甘露糖型、復雜型和雜合型。

②O-連接型寡糖

a．O-連接的寡糖（簡稱O-連寡糖），是通過α-O-糖苷鍵與肽鏈上的絲氨酸或蘇氨酸相連，或在膠原蛋白中，與5-羥賴氨酸殘基相連；

b．已發現的由兩個糖基組成的O-糖鏈有4種；

c．含有兩個以上糖基的多糖鏈，主要是由O-乙酰-D-半乳糖胺構成，可將其結構大致劃分為3個部分：核心、骨架和非還原性末端。其具有多種形式的糖鏈核心，最多見的有4種形式。

③酰胺鍵型連接的要點

a．這一類型的寡糖鏈的非還原端大多是通過甘露糖磷酸乙醇胺間接地和多肽鏈的末端羧基形成酰胺鍵而結合；

b．同時寡糖鏈的還原端又和磷脂酰肌醇中的肌醇分子的C6位相連。

（3）糖蛋白中寡糖鏈的生物合成

①N-連寡糖的生物合成

N-連寡糖開始合成是在內質網進行，完成于高爾基體，其形成和多肽鏈的延長是同時逐步形成的。可大致分為4步進行：

a．合成以酯鍵相連的寡糖前體：長醇-焦磷酸-寡糖；

b．將前體轉移到正在增長著的肽鏈上；

c．除去前體的某些糖單位；

d．在剩余的寡糖核心上再加入另外的糖分子。

②O-連寡糖的生物合成

a．O-連寡糖是先合成蛋白質的多肽鏈，然后合成寡糖鏈；

b．O-連寡糖合成的開始是在N-乙酰半乳糖胺轉移酶的催化下，N-乙酰半乳糖胺轉移到多肽鏈的絲氨酸或蘇氨酸殘基上，絲氨酸或蘇氨酸在肽鏈中的位置和多肽鏈的二級和三級結構有關；

c．O-連糖基化是由相應的糖基轉移酶將半乳糖、唾液酸N-乙酰葡糖胺和巖藻糖，根據需要逐步地加上去；

d．O-連寡糖鏈在合成時也有核心形成。但是它的核心類型較多。O-糖鏈的延伸也和N-糖鏈相似在核心的基礎上逐個添加糖基；

e．O-連寡糖鏈的非還原端的基團大致包括3種，唾液酸、硫酸和巖藻糖。

③糖基磷脂酰肌醇四糖核心的合成

a．糖基磷脂酰肌醇（GPI）可將各種蛋白質錨定到真核細胞漿膜的外表面，使它們在細胞外部空間自由發揮作用。全部蛋白質除糖脂錨外都在細胞的外部空間；

b．GPI的核心結構是在內質網膜腔側由磷脂酰肌醇、UDP-N-乙酰葡糖胺、長醇-磷酸-甘露糖和磷脂酰乙醇胺合成的。

（4）糖蛋白糖鏈的分解代謝

糖蛋白的分解代謝是在溶酶體中進行的。糖蛋白的徹底降解需要蛋白水解酶和糖苷酶的聯合作用。

①N-連糖蛋白的水解

a．N-連糖蛋白的水解先從裸露在糖鏈外的肽鏈開始，肽鏈的降解為N-糖鏈的水解提供空間；

b．糖鏈核心的降解，先被水解的基團往往是巖藻糖，其次水解以β-4-糖苷鍵連接的N-乙酰-葡糖胺；

c．糖鏈上的糖基由不同的外切糖苷酶從非還原端逐個將糖鏈上的糖基水懈脫下，而肽鏈上剩余的個別N-乙酰葡糖胺殘基則被專一的糖肽水解酶降解。剩下的肽鏈最后被蛋白酶降解。

②O-糖蛋白的水解

a．O-糖蛋白的水解根據糖鏈的密集程度不同，其多肽鏈和寡糖鏈水解的先后也有不同，但也可同時進行；

b．一般是先從糖鏈末端的唾液酸開始水解，隨后再從非還原端逐個切除糖單元。多肽鏈的水解和肽鏈的暴露情況直接有關。