第25章 戊糖磷酸途径和糖的其他代谢途径
25.1 复习笔记
一、戊糖磷酸途径
1．戊糖磷酸途径的主要反应
（1）概述
①戊糖磷酸途径又称戊糖支路、己糖单磷酸途径、磷酸葡糖酸氧化途径及戊糖磷酸循环。
②戊糖磷酸途径是糖代谢的第二条重要途径。这条途径在细胞溶胶内进行，广泛存在于动植物细胞内。
③糖磷酸途径的核心反应式为：
④戊糖磷酸途径划分为两个阶段：氧化阶段和非氧化阶段。
（2）氧化阶段
这个阶段包括段包括三步反应：
①在葡萄糖-6-磷酸脱氢酶作用下，葡萄糖-6-磷酸转变成6-磷酸葡萄糖酸-Δ-内酯。以NADP＋作为辅酶；
②在6-磷酸葡萄糖酸内酯酶作用下，6-磷酸葡萄糖酸-Δ-内酯转变成6-磷酸葡萄糖酸；
③在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶作用下，6-磷酸葡萄糖酸转变为核酮糖-5-磷酸。以NADP＋作为电子受体，催化的反应包括脱氢和脱羧步骤。
（3）非氧化反应阶段
①核酮糖-5-磷酸在其异构酶作用下，通过形成烯二醇中间产物，异构化为核糖-5-磷酸，糖酵解过程中葡萄糖-6-磷酸→果糖-6-磷酸，二羟丙酮磷酸→甘油醛-3-磷酸均通过烯二醇中间产物步骤。
②核酮糖-5-磷酸在核酮糖-5-磷酸-差向异构酶作用下转变为木酮糖-5-磷酸。
③木酮糖-5-磷酸和核糖-5-磷酸在转酮酶作用下，转变为景天庚酮糖-7-磷酸和甘油醛-3-磷酸。此步骤将戊糖磷酸途径与糖酵解途径相联系，形成中间代谢产物甘油醛-3-磷酸。
④景天庚酮糖-7-磷酸和甘油醛-3-磷酸在转醛酶作用下转变成果糖-6-磷酸和赤藓糖-4-磷酸在转醛酶。
⑤木酮糖-5-磷酸和赤藓糖-4-磷酸在转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-磷酸是糖酵解途径的两个中间产物。果糖-6-磷酸可在磷酸葡萄糖异构酶催化下转变为葡萄糖-6-磷酸。
⑥一个葡萄糖-6-磷酸分子通过戊糖磷酸途径的总反应式：
非氧化反应阶段均为可逆反应，保证了细胞能以满足自己对糖代谢中间产物以及大量还原力的需求。
图25-1 戊糖磷酸途径总览
2．戊糖磷酸途径反应速度的调控
（1）戊糖磷酸途径氧化阶段的第一步反应，是不可逆的，属于限速反应，是-个重要的调控点。最重要的调控因子是NADP＋的水平。NADP＋/NADPH的比值直接影响葡萄糖-6-磷酸脱氢酶的活性。
（2）转酮酶和转醛酶反应都是可逆反应。因此根据细胞代谢的需要，戊糖磷酸途径和糖酵解途径可灵活地相互连系。
（3）戊糖磷酸途径中葡萄糖-6-磷酸的去路，可受到机体对NADPH、核糖-5-磷酸和ATP不同需要的调节。可能有3种情况：
①机体对核糖-5-磷酸的需要远远超过对NADPH的需要，可见于细胞分裂期，化学反应式：
②机体对NADPH的需要和对核糖-5-磷酸的需要处于平衡状态，化学反应式：
③机体需要的NADPH远远超过核糖-5-磷酸，因此葡萄糖-6-磷酸彻底氧化为CO2，化学反应式：
总反应式：
（4）戊糖磷酸途径形成的核糖-5-磷酸还可转变为丙酮酸。由核糖-5-磷酸形成的果糖-6-磷酸和甘油醛-3-磷酸即可进入糖酵解途径。因此既可产生ATP又可产生NADPH，同时由葡萄糖-6-磷酸中的5个碳原子形成丙酮酸。总反应式：
4．戊糖磷酸途径的生物学意义
（1）戊糖磷酸途径是细胞产生还原力（NADPH）的主要途径
①生活细胞将获得的燃料分子经分解代谢将一部分高潜能的电子通过电子传递链传至O2，产生ATP提供能量消耗的需要，另一部分高潜能的电子并不产生ATP，而是以还原力的形式保存下来，供还原性生物合成的需要；
②在红细胞中戊糖磷酸途径提供的还原力可保证红细胞中的谷胱甘肽处于还原状态。细胞需要大量的还原型谷胱甘肽来维持血红蛋白运输氧的功能。红细胞内的的NADPH被氧化，使细胞因缺乏NADPH而容易破裂，结果造成严重的溶血性贫血症，严重者甚致因大量红细胞破裂而导致死亡。
（2）戊糖磷酸途径是细胞内不同结构糖分子的重要来源，并为各种单糖的相互转变提供条件
二、糖的其他代谢途径
1．葡糖糖异生作用
葡糖异生作用是指以非糖物质作为前体合成葡萄糖的作用。非糖物质包括乳酸、丙酮酸、丙酸、甘油以及氨基酸等。
2．葡糖异生作用的途径
（1）葡糖异生作用和糖酵解作用的关系
①葡糖异生作用大部分是糖酵解过程的逆反应，但并不完全是糖酵解过程的逆反应。糖酵解过程有三步反应是不可逆的。
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的反应。
②葡糖异生作用要利用糖酵解过程中的可逆反应步骤必须对上述3个不可逆过程采取迂迥措施绕道而行。
（2）葡糖异生对糖酵解的不可逆过程采取的迂迥措施
①丙酮酸通过草酰乙酸形成磷酸烯醇式丙酮酸。该措施分两步进行：
a．丙酮酸在以生物素为辅基的丙酮酸羧化酶催化下，消耗一个ATP分子的高能磷酸键形成草酰乙酸。
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。该反应需消耗一个GTP分子，反应如下：
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，为放能反应。
③葡萄糖-6-磷酸在葡萄糖-6-磷酸酶催化下水解为葡萄糖。
葡萄糖-6-磷酸酶是结合在光面内质网膜的一种酶，它的活性需有一种与Ca2＋结合的稳定蛋白协同作用。
表25-1 糖异生作用和糖酵解作用的比较
图25-2 葡糖异生途径总览图
3．由丙酮酸形成葡萄糖的能量消耗及意义
（1）由两分子丙酮酸形成一分子葡萄糖的总反应式：
上述反应的
。
（2）萄糖异生需消耗4个额外的高能键。此外，ATP分子参加反应可改变反应的平衡常数，使其变为1032，这也表明葡糖异生作用在热力学上是有利的。
4．葡糖异生作用的调节
（1）葡糖异生作用和糖酵解作用有密切的相互协调关系。两者的相互制约又相互协调的关系主要由两种途径不同的酶活性和浓度起作用。
①磷酸果糖激酶（PFK）和果糖-1,6-二磷酸酶的调节
a．AMP对磷酸果糖激酶有激活作用，它使使糖酵解过程加速进行，同时果糖-1,6-二磷酸酶不再促进葡糖异生作用；
b．ATP和柠檬酸对磷酸果糖激酶起抑制作用，当二者的浓度升高时，磷酸果糖激酶受到抑制从而降低糖酵解作用，同时柠檬酸又刺激果糖-1,6-二磷酸酶，使葡糖异生作用加速进行；
c．果糖-2,6-二磷酸是一个信号分子，它对磷酸果糖激酶和果糖-1,6-二磷酸酶具有协同调控作用。果糖-2,6-二磷酸对磷酸果糖激酶具有强烈的激活作用，而对果糖-1,6-二磷酸酶有抑制作用；
d．葡萄糖供应丰富时，果糖-2,6-二磷酸作为信号分子处于高水平，它活化糖酵解作用并抑制葡糖异生途径；
e．果糖-2,6-二磷酸受到破会会引起果糖-1,6-二磷酸酶活性增强，从而加速葡糖异生作用；
f．胰高血糖素/胰岛素比值升高，会加速葡糖异生作用。
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间的调节
a．在肝脏中丙酮酸激酶受高浓度ATP和丙氨酸的抑制，高浓度的ATP和丙氨酸导致糖酵解作用就受到抑制；
b．当乙酰-CoA的含量充分时，丙酮酸羧化酶受到激活从而促进葡糖异生作用；
c．如果细胞的供能情况不充分，ADP的浓度升高，丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶都受到抑制，而使葡糖异生作用停止进行。因这时的ATP水平很低，于是糖酵解作用又发挥其有效作用；
d．丙酮酸激酶还受到果糖-1,6-二磷酸的正反馈激活作用，也加速糖异生作用的进行。
（2）底物浓度也起调节作用。葡萄糖的浓度对糖酵解起调节作用，乳酸浓度以及其他葡萄糖前体的浓度对葡糖异生起调节作用。
5．乳酸的再利用和可立氏循环（图25-3）
乳酸属于代谢的一种最终产物，只能再转变为丙酮酸。肌肉细胞内的乳酸扩散到血液并随着血流进入肝脏细胞，在肝细胞内通过葡糖异生途径转变为葡萄糖，又回到血液随血流供应肌肉和脑对葡萄糖的需要。这个循环过程称为可立氏循环。
图25-3 可立氏循环（Coilcycle）示意图
三、葡萄糖出入动物细胞的特殊运载机构
1．葡萄糖运载蛋白
葡萄糖运载蛋白是指葡萄糖出入细胞质膜是靠葡萄糖的特殊运送机构。
葡萄糖分子由于两种不同构象的转换，完成了它的跨膜转移。葡萄糖的转运是一种顺浓度梯度下降形式的运载方式。
2．葡萄糖运载蛋白家族
（1）CLUT l和GLUT 3几乎存在于所有哺乳类细胞，负责基本的葡萄糖摄取，因此这两种运载蛋白不断地以稳定的速度转运葡萄糖到细胞内；
（2）GLUT 2存在于肝和胰腺的β细胞；
（3）GLUT 4主要存在于肌肉和脂肪细胞；
（4）GLUT 5存在于小肠细胞，是Na＋和葡萄糖的共同运载蛋白，负责从肠腔吸收葡萄糖；
（5）HLUT 7位于内质网膜，运载葡萄糖-6-磷酸进入内质网内。
四、乙醛酸途径
1．概念
乙醛酸途径又称乙醛酸循环，这一途径在动物体内并不存在，只存在于植物和微生物中。它是通过乙醛酸途径使乙酰-CoA转变为草酰乙酸从而进入柠檬酸循环。
图25-4 乙醛酸途径示意图
2．乙醛酸循环体
乙醛酸循环体是植物膜所特有的亚细胞结构，包括只存在于乙醛酸循环体中的两种酶：异柠檬酸裂合酶和苹果酸合酶。
3．乙醛酸途径的总反应
乙醛酸途径开始于草酰乙酸与乙酰-CoA的缩合。具体步骤如图25-4。总反应式：
4．乙醛酸循环在植物种子中的意义
乙醛酸循环使萌发的种子将贮存的三酰甘油通过乙酰-CoA转变为葡萄糖。
五、寡糖类的生物合成和分解
1．概论
（1）寡糖
寡糖是一类由含有以糖苷键形式相连接的糖分子构成的复杂化合物。寡糖的最常见的成分有甘露糖、N-乙酰葡糖胺、N-乙酰胞壁酸、葡萄糖、岩藻糖、半乳糖、N-乙酰神经氨酸及N-乙酰半乳糖胺等。
（2）糖基转移反应
糖苷键的形成在生理条件下需要提供能量。催化形成糖苷键的酶称为糖基转移酶。参与转移单糖的核苷酸有UDP（尿苷二磷酸）、GDP（鸟苷二磷酸）、CMP（胞苷酸）等，每种糖分子只与核苷酸中的一种相结合。
表25-2 糖基转移反应中与单糖相应的核苷酸
2．乳糖的生物合成和分解
（1）乳糖的生物合成
①乳糖是寡糖中简单寡糖的代表。乳糖由半乳糖和葡萄糖以β-糖苷键相连；
②乳糖的生物合成需要活化的半乳糖作为前体，UDP-半乳糖用作合成乳糖的前体；
③UDP-半乳糖来源于UDP-葡萄糖，是由UDP-葡萄糖在半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶催化下形成的；
④乳糖的生物合成反应式如下：
a．非乳腺组织：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，酶为半乳糖基转移酶。
b．授乳期的乳腺中：UDP-D-半乳糖＋D-葡萄糖→D-乳糖＋UDP，其中半乳糖基转移酶与乳清蛋白结合，即乳糖合酶。
（2）乳糖的分解代谢H2O
乳糖在消化道内的分解是由附着在小肠上皮细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）乳糖不耐症
①几乎所有的婴儿和幼儿都能消化乳糖，但到青年或成年之后，许多人小肠细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，也不能被小肠吸收。乳糖在小肠腔内会产生很强的渗透效应导致流体向小肠内流；在大肠内，乳糖被细菌转变为有毒物质。因此出现腹胀、恶心、绞痛以及腹泻等症状，临床上称为乳糖不耐症。
②大肠杆菌能利用乳糖作为唯一的碳源，在乳糖代谢中所必需的酶就是β-半乳糖苷酶，β-半乳糖苷酶是一种可诱导酶，可将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖。
3．糖蛋白的生物合成
（1）糖蛋白糖链生物合成
①糖蛋白中N-糖链的合成是和肽链的生物合成同时进行的，O-糖链的合成是在肽链合成后，对肽链进行修饰加工时将糖基逐个连接上去的；
②糖链的合成是由糖基作为供体和受体，在糖基转移酶催化下完成的；
③糖基转移酶对作为供体的糖基和受体都有严格的专一性；
④作为糖基供体的活化单糖最常见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（鸟苷二磷酸-甘露糖）等；
⑤肽链中有许多特定氨基酸残基可作为糖基的接受位，糖链延伸时，糖基的受体则是新接上去的糖基。
（2）糖蛋白寡糖部分与多肽链相连接的类型
①N-连接型寡糖
a．N-连接型寡糖（简称N-连寡糖），是寡糖分子以β-N-糖苷键的形式与多肽链相连；
b．相连的部分是多肽链的天冬酰胺（Asn）残基。与Asn残基相隔的氨基酸必须是丝氨酸（Ser）或苏氨酸（Thr），与该残基相连的氨基酸是除脯氨酸和天冬氨酸以外的任何氨基酸。这段序列的表示应为Asn-X-Ser或Asn-X-Thr；
c．N-连接类型的糖链-般由6至数10个糖基连接而成且都形成分支称为“天线”。寡糖的糖基组分主要是N-乙酰氨基葡萄糖，此外还有半乳糖和甘露糖等；
d．以N-连接的寡糖中都有一个共同的五糖核心。其他附加的糖以不同的形式加在这个核心上，形成各式各样的寡糖，可大致分为高甘露糖型、复杂型和杂合型。
②O-连接型寡糖
a．O-连接的寡糖（简称O-连寡糖），是通过α-O-糖苷键与肽链上的丝氨酸或苏氨酸相连，或在胶原蛋白中，与5-羟赖氨酸残基相连；
b．已发现的由两个糖基组成的O-糖链有4种；
c．含有两个以上糖基的多糖链，主要是由O-乙酰-D-半乳糖胺构成，可将其结构大致划分为3个部分：核心、骨架和非还原性末端。其具有多种形式的糖链核心，最多见的有4种形式。
③酰胺键型连接的要点
a．这一类型的寡糖链的非还原端大多是通过甘露糖磷酸乙醇胺间接地和多肽链的末端羧基形成酰胺键而结合；
b．同时寡糖链的还原端又和磷脂酰肌醇中的肌醇分子的C6位相连。
（3）糖蛋白中寡糖链的生物合成
①N-连寡糖的生物合成
N-连寡糖开始合成是在内质网进行，完成于高尔基体，其形成和多肽链的延长是同时逐步形成的。可大致分为4步进行：
a．合成以酯键相连的寡糖前体：长醇-焦磷酸-寡糖；
b．将前体转移到正在增长着的肽链上；
c．除去前体的某些糖单位；
d．在剩余的寡糖核心上再加入另外的糖分子。
②O-连寡糖的生物合成
a．O-连寡糖是先合成蛋白质的多肽链，然后合成寡糖链；
b．O-连寡糖合成的开始是在N-乙酰半乳糖胺转移酶的催化下，N-乙酰半乳糖胺转移到多肽链的丝氨酸或苏氨酸残基上，丝氨酸或苏氨酸在肽链中的位置和多肽链的二级和三级结构有关；
c．O-连糖基化是由相应的糖基转移酶将半乳糖、唾液酸N-乙酰葡糖胺和岩藻糖，根据需要逐步地加上去；
d．O-连寡糖链在合成时也有核心形成。但是它的核心类型较多。O-糖链的延伸也和N-糖链相似在核心的基础上逐个添加糖基；
e．O-连寡糖链的非还原端的基团大致包括3种，唾液酸、硫酸和岩藻糖。
③糖基磷脂酰肌醇四糖核心的合成
a．糖基磷脂酰肌醇（GPI）可将各种蛋白质锚定到真核细胞浆膜的外表面，使它们在细胞外部空间自由发挥作用。全部蛋白质除糖脂锚外都在细胞的外部空间；
b．GPI的核心结构是在内质网膜腔侧由磷脂酰肌醇、UDP-N-乙酰葡糖胺、长醇-磷酸-甘露糖和磷脂酰乙醇胺合成的。
（4）糖蛋白糖链的分解代谢
糖蛋白的分解代谢是在溶酶体中进行的。糖蛋白的彻底降解需要蛋白水解酶和糖苷酶的联合作用。
①N-连糖蛋白的水解
a．N-连糖蛋白的水解先从裸露在糖链外的肽链开始，肽链的降解为N-糖链的水解提供空间；
b．糖链核心的降解，先被水解的基团往往是岩藻糖，其次水解以β-4-糖苷键连接的N-乙酰-葡糖胺；
c．糖链上的糖基由不同的外切糖苷酶从非还原端逐个将糖链上的糖基水懈脱下，而肽链上剩余的个别N-乙酰葡糖胺残基则被专一的糖肽水解酶降解。剩下的肽链最后被蛋白酶降解。
②O-糖蛋白的水解
a．O-糖蛋白的水解根据糖链的密集程度不同，其多肽链和寡糖链水解的先后也有不同，但也可同时进行；
b．一般是先从糖链末端的唾液酸开始水解，随后再从非还原端逐个切除糖单元。多肽链的水解和肽链的暴露情况直接有关。