第四章? ? 生物大分子的消化與吸收

第一節(jié)? 碳水化合物的消化和吸收

1.大多數(shù)動物腸道內(nèi)缺少水解β-1，4-糖苷鍵的酶（無法消化纖維素之類的），水解淀粉主要依靠α-糖苷酶

2.單糖的轉(zhuǎn)運和吸收

受載體蛋白即轉(zhuǎn)運蛋白的介導具有底物的特異性和立體特異性

遵循飽和動力學，并受到特定抑制劑的水解（比如說細胞松弛素類的物質(zhì)）

第二節(jié)? 脂質(zhì)的消化和吸收

脂肪的有效水解除了脂肪酶以外，還需要去垢劑（使脂質(zhì)分離）膽汁酸和共脂肪酶

第三節(jié)? 蛋白質(zhì)和核酸的水解

1.蛋白質(zhì)的酶促水解：開始于胃，由胃蛋白酶催化。在小腸內(nèi)被胰腺所分泌的蛋白酶消化水解成寡肽。再在小腸的刷狀緣上被各種肽酶水解成更小的肽或氨基酸。胃蛋白酶只作用于有羥基的氨基酸

2.氨基酸、二肽和三肽的吸收：氨基酸被吸收的機制與單糖的吸收機制相同，二肽和三肽的吸收不需要鈉離子

3.核酸的消化和吸收：食物中的核酸被消化道被腺所分泌的核糖核酸酶和脫氧核糖核酸酶水解成核苷酸。再被水解成核苷和磷酸基團（核苷酸帶負電荷，很難被吸收），吸收過程為主動運輸

第五章? ? 糖酵解

第一節(jié)? 糖酵解的發(fā)現(xiàn)

第二節(jié)? 糖酵解的全部過程

總共有兩個反應階段：（1）引發(fā)階段：一分子葡萄糖經(jīng)過1，6-二磷酸果糖轉(zhuǎn)變成兩分子3-磷酸甘油醛，共消耗兩分子的ATP

（2）產(chǎn)能階段：兩分子3-磷酸甘油醛最終轉(zhuǎn)變成兩分子的丙酮酸，同時產(chǎn)生4分子的ATP和2分子的NADH

1.葡萄糖的磷酸化（消耗ATP）（不可逆反應）

由己糖激酶或葡糖激酶，葡萄糖的6號位的羥基接受高能磷酸基團，被磷酸化成6-磷酸葡糖，是不可逆反應，反應還需要鎂離子（之后由磷酸果糖激酶、磷酸甘油醛激酶和丙酮酸激酶催化的反應也需要鎂離子，詳情見結(jié)構(gòu)生物化學）

葡萄糖的磷酸化降低了細胞內(nèi)的葡萄糖濃度，有利于胞外葡萄糖通過葡萄糖轉(zhuǎn)運酶（GLUT）進入細胞之中；葡萄糖由此帶上了負電荷，極性增強，很難從細胞中出去；葡萄糖能量狀態(tài)提高，由此變得不穩(wěn)定

2.6-磷酸葡糖的異構(gòu)化

由磷酸己糖異構(gòu)酶催化，也需要Mg2+。反應的機制涉及不穩(wěn)定的烯二醇中間體。通過此反應，醛糖轉(zhuǎn)變成了酮糖，羰基由一號位轉(zhuǎn)到了二號位

3.磷酸果糖的再次磷酸化（消耗ATP）（不可逆反應）

是細胞中進一步消耗ATP的磷酸化反應，為不可逆反應，也是重要的限速步驟（通過對酶活性的調(diào)節(jié)）。參與的酶是磷酸果糖激酶-1（PFK-1），產(chǎn)物為1，6-二磷酸果糖

P.S.磷酸果糖激酶2（PFK-2）也是以果糖作為底物的，但反應產(chǎn)物是2，6-二磷酸果糖）

在植物、細菌和真菌之中，還有一種依賴于焦磷酸的磷酸果糖激酶，在某些古菌中還有依賴于ADP的磷酸果糖激酶

4.1，6-二磷酸果糖的裂解

此反應是可逆反應，參與的酶是醛縮酶。一分子的六碳糖裂解成一分子的磷酸二羥丙酮（DHAP）和一分子3-磷酸甘油醛

5.磷酸丙糖的異構(gòu)化

是可逆的酮糖和醛糖互變的反應，催化酶是磷酸丙糖異構(gòu)酶（TIM），反應機制和第二步相似，其活性中心谷氨酸殘基作為廣義的堿行使催化

此反應將DHAP轉(zhuǎn)變成3-磷酸甘油醛，進入下一步反應

6.磷酸甘油醛的氧化和磷酸化（生成NADH）

是糖酵解中唯一一步氧化還原反應，反應底物是無機磷酸集團和3-磷酸甘油醛，催化反應的酶是3-磷酸甘油醛脫氫酶（GAPDH），NAD+是其輔酶，產(chǎn)物為1，3-二磷酸甘油酸（1，3-BPG）和NADH/H+。反應中醛基變成了羧基，釋放出來的能量儲存在高能磷酸鍵之中，還有一部分儲存在NADH的高能電子中

3-磷酸甘油醛脫氫酶的活性中心其主要的作用的是巰基（親核進攻底物，形成共價的半縮硫醛），任何破壞巰基的試劑（如碘代乙酸或有機汞，即氧化劑）都是此酶的抑制劑。3-磷酸甘油醛脫氫酶由四個亞基組成，四個亞基之間是負協(xié)同效應（在低氧濃度下也可以進行正常催化）

在氧化脅迫下，3-磷酸甘油醛脫氫酶會失活，使更多的葡萄糖進入磷酸戊糖途徑，產(chǎn)生更多的NADPH（抗氧化輔因子）

7.第一步的底物水平磷酸化（生成ATP）

底物水平的磷酸化反應：先合成一種高能中間物，然后再在一種轉(zhuǎn)移酶的作用下，中間物上的高能鍵被轉(zhuǎn)移給ADP，合成的ATP這里的高能中間物是1，3-二磷酸甘油酸，酶是磷酸甘油醛激酶，需要鎂離子，該反應可逆

由于一分子葡萄糖可以產(chǎn)生兩分子的1，3-二磷酸甘油酸，所以該反應可以產(chǎn)生兩分子的ATP

8.3-磷酸甘油酸的變位

該反應可逆，由磷酸甘油酸變位酶催化，經(jīng)過此反應，甘油酸上的磷酸基團由3號位變到2號位

總共有兩種變位的機制：酶直接催化磷酸基團在3-磷酸甘油酸分子內(nèi)部的轉(zhuǎn)移另一種需要少量的2，3-磷酸甘油酸（2，3-BPG）作為輔因子，并需要活性中心的一個組氨酸殘基

2，3-BPG由1，3-BPG變位而來，催化反應的是1，3-二磷酸甘油酸變位酶（這個酶是一個雙功能酶，詳情見后），有著磷酸酶的活性，如果1，3-BPG經(jīng)過這個路徑轉(zhuǎn)變成3-磷酸甘油酸，就會跳過一步底物磷酸化反應

9.2-磷酸甘油酸的烯醇化

由烯醇化酶催化，需要鎂離子。烯醇化酶的作用是促進2-磷酸甘油上的某些原子的重排，是能量聚集到某一個化學鍵上，這導致了高能PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）

氟化物可以與鎂離子和磷酸基團之間形成絡合物，干擾2-磷酸甘油酸和烯醇化酶的結(jié)合，使此酶的活性受到抑制。

10.第二次底物水平磷酸化（合成ATP）（不可逆反應）

由丙酮酸激酶催化，需要鎂離子和鉀離子，通過此反應磷酸烯醇式丙酮酸中的高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ADP

這一步總共能合成2分子的ATP

第三節(jié)? NADH和丙酮酸的命運

一、在有氧的狀態(tài)下NADH和丙酮酸的命運

（一）NADH的命運

在有氧狀態(tài)下NADH可以將電子交給呼吸鏈進行傳遞進而產(chǎn)生更多的ATP（需要通過線粒體內(nèi)膜上的穿梭系統(tǒng)）

線粒體內(nèi)膜上含有兩種穿梭系統(tǒng)：

1.3-磷酸甘油醛穿梭系統(tǒng)：在細胞質(zhì)基質(zhì)的3-磷酸甘油脫氫酶的催化下，糖酵解產(chǎn)生的NADH被氧化為NAD+，磷酸二羥丙酮被還原成3-磷酸甘油。之后，磷酸甘油進入線粒體，被內(nèi)膜上的3-磷酸甘油脫氫酶重新氧化成磷酸二羥丙酮，脫下的氫和電子交給內(nèi)膜上的FAD，之后再通過輔酶Q進入呼吸鏈。最后3-磷酸二羥丙酮重新回到細胞質(zhì)基質(zhì)

2.蘋果酸-天冬氨酸穿梭系統(tǒng)：在蘋果酸脫氫酶的催化下糖酵解產(chǎn)生的NADH將草酰乙酸還原成蘋果酸，蘋果酸再通過線粒體內(nèi)膜上的蘋果酸轉(zhuǎn)運蛋白進入線粒體基質(zhì)，再在線粒體基質(zhì)中的蘋果酸脫氫酶的催化下重新轉(zhuǎn)變成草酰乙酸，同時產(chǎn)生NADH，由線粒體內(nèi)膜上的復合體1進入呼吸鏈。之后草酰乙酸在谷草轉(zhuǎn)氨酶的催化下從谷氨酸接受氨基，變成天冬氨酸，經(jīng)過天冬氨酸轉(zhuǎn)運蛋白被運出線粒體基質(zhì)。最后在細胞質(zhì)基質(zhì)中的谷草轉(zhuǎn)氨酶的催化下將氨基返還給α-酮戊二酸（α-酮戊二酸變成谷氨酸），重新生成草酰乙酸

（二）丙酮酸的命運

通過線粒體內(nèi)膜上的丙酮酸轉(zhuǎn)運蛋白，與質(zhì)子一起進入線粒體基質(zhì)，被基質(zhì)內(nèi)的丙酮酸脫氫酶系氧化成乙酰輔酶A（乙酰-CoA）

1.丙酮酸脫氫酶系的結(jié)構(gòu)和組成

由丙酮酸脫氫酶、二氫硫辛酸轉(zhuǎn)乙酰酶和組成

（1）丙酮酸的氧化脫羧：由丙酮酸脫氫酶進行催化，需要硫胺素焦磷酸（TTP，作為碳負離子去親核進攻丙酮酸的羰基碳，誘發(fā)脫羧基反應）參與反應。形成乙酰TTP

（2）碳單位的轉(zhuǎn)移和吸收：由二氫硫辛酸轉(zhuǎn)乙酰酶催化，硫辛酸作為輔基（與二氫硫辛酸轉(zhuǎn)乙酰酶以酰胺鍵相連接，氧化型兩個硫原子以二硫鍵相連，還原型還原成巰基），氧化型硫辛酰胺二硫鍵被還原，TTP上的羥乙基被氧化成乙?；晦D(zhuǎn)移到硫辛酰胺的硫原子上形成高能的硫脂鍵，同時TPP得以再生

（3）碳單位的再次轉(zhuǎn)移：仍然由進行催化，但需要CoA的參與。乙?；鶑牧蛐刘０飞系牧蛟愚D(zhuǎn)移到CoA分子的巰基上，產(chǎn)生高能分子乙酰-CoA。原來氧化型的硫辛酰胺變成了還原型

（4）氧化型硫原子的再生：需要FAD和NAD+作為輔因子，當還原型硫辛酰胺進入二氫硫辛酸脫氫酶時被FAD氧化，F(xiàn)AD變?yōu)镕ADH后又被NAD+還原

氧化型硫辛酰胺的還原十分重要，砒霜的主要成分是三氧化二砷（亞砷酸），亞砷酸可以和還原型硫辛酰胺形成共價化合物，從而阻止氧化型的再生

二、在缺氧或無氧的情況下NADH和丙酮酸的命運

為了保證氧化型輔酶Ⅰ（NAD+）的再生

（一）乳酸發(fā)酵

（二）乙醇發(fā)酵;在依賴于TPP的丙酮酸脫羧酶的催化下，丙酮酸變成乙醛，然后乙醛在乙醇脫氫酶的催化下，被還原成乙醇

第四節(jié)? 其他物質(zhì)進入糖酵解

一、糖原

其中葡萄糖單位主要經(jīng)過糖原磷酸化酶α的催化被磷酸化成1-磷酸葡糖，1-磷酸葡糖經(jīng)磷酸葡糖變位酶的催化，轉(zhuǎn)變成6-磷酸葡糖而進入糖酵解

二、果糖

有兩種方式進入糖酵解：在己糖激酶的催化下（主要發(fā)生于肌細胞和腎細胞），形成6-磷酸葡糖后即可進入；在果糖激酶的催化下（主要發(fā)生于肝細胞），轉(zhuǎn)變成1-磷酸果糖，1-磷酸果糖在1-磷酸果糖醛縮酶的催化下裂解成磷酸二羥丙酮和D-甘油醛。前者在磷酸丙糖異構(gòu)酶的幫助下轉(zhuǎn)化3-磷酸甘油醛進入糖酵解途徑，后者在丙糖激酶的催化下形成3-磷酸甘油醛激酶進入糖酵解途徑

三、甘露糖

在己糖激酶的催化下變成6-磷酸甘露糖，隨后在磷酸甘露糖異構(gòu)酶的幫助下異構(gòu)成6-磷酸果糖進入糖酵解途徑

四、甘油

先在甘油激酶的催化下變成3-磷酸甘油，然后在3-磷酸甘油脫氫酶催化下進一步轉(zhuǎn)變成DHAP（磷酸二羥丙酮）,磷酸二羥丙酮在磷酸丙糖異構(gòu)酶的催化而進入糖酵解

五、半乳糖（Leloir途徑）

在半乳糖激酶的催化下半乳糖被磷酸化為1-磷酸半乳糖，之后再在1-磷酸半乳糖尿苷轉(zhuǎn)移酶的催化下，與尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-Glc）反應，形成尿苷二磷酸半乳糖（將參與尿苷二磷酸葡萄糖的再生）和1-磷酸葡糖，1-磷酸葡糖經(jīng)磷酸葡糖變位酶的催化下，轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸葡糖進入糖酵解

第五節(jié)? 糖酵解的生理功能

1.產(chǎn)生能量貨幣ATP

2.為細胞中其他物質(zhì)的合成提供原料

3.腫瘤和糖酵解

隨著腫瘤的生長，其自身的氧氣不夠消耗，糖酵解成為其能源的主要來源。在細胞處于缺氧狀態(tài)的情況下，有一種受缺氧誘導的因子被激活，并進入細胞核與DNA上的缺氧應答原件結(jié)合，從而誘導參與葡萄糖跨膜運輸?shù)钠咸烟寝D(zhuǎn)運酶合成，直至新血管的增生完成（受缺氧誘導的因子還有促進血管內(nèi)生長因子的表達

4.糖酵解過程中的一些酶的兼職功能

磷酸基糖異構(gòu)酶可兼做為神經(jīng)白介素和一種自分泌運動因子；3-磷酸甘油醛可以在細胞核中兼做尿嘧啶-DNA糖苷酶（參與DNA的剪基切除和修復）；烯醇化酶在細菌體內(nèi)作為RNA降解體的一部分，在真核生物中可參與線粒體tRNA的運輸；在某些哺乳動物之中還可以作為細胞表面受體結(jié)合纖維蛋白酶原和胞外基質(zhì)（促進正常的細胞遷移）

第六節(jié)? 糖酵解的調(diào)節(jié)

一、葡萄糖的可得性

葡萄糖進入細胞的速率受葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白的類型和葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白的數(shù)目

大多數(shù)細胞攝入葡萄糖的轉(zhuǎn)運蛋白（所有的細胞中都表達）速率恒定，受血糖的影響??；肝細胞和胰島β細胞還表達一種葡萄糖轉(zhuǎn)運酶，使細胞攝入葡萄糖的速率和血糖濃度成正比；肌細胞和脂肪細胞表達一種葡萄糖轉(zhuǎn)運酶，可以受到胰島素的調(diào)節(jié)

二、己糖激酶和葡糖激酶的調(diào)節(jié)

即6-磷酸葡糖的反饋抑制（己糖激酶）

葡糖激酶調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)（受到胰島素的控制）（葡糖激酶）

三、磷酸果糖激酶1的調(diào)節(jié)（PFK-1）

是一種別構(gòu)酶。別構(gòu)抑制劑：ATP（兩個結(jié)合位點，親和力弱的起別構(gòu)抑制的作用）、檸檬酸（檸檬酸指示著細胞之中其他營養(yǎng)物質(zhì)的飽和狀態(tài)，當其他的途徑合成大量的ATP時檸檬酸對磷酸果糖激酶進行抑制，且還可以激活乙酰-CoA羧化酶，使多余的能量被脂肪細胞轉(zhuǎn)化成脂肪儲存起來）、質(zhì)子（生成乳酸并轉(zhuǎn)運時，質(zhì)子會被釋放到血液中，如果釋放過多，會導致酸中毒。質(zhì)子的抑制可以防止這種狀況）

別構(gòu)激活劑：AMP/ADP、2，6-二磷酸果糖（2，6-二磷酸果糖會抑制糖酵解的進行，但2，6-磷酸果糖會被2，6-二磷酸果糖磷酸酶（磷酸果糖激酶2）轉(zhuǎn)變成6-磷酸果糖

胰高血糖素通過對磷酸果糖激酶的兩種有活性的亞基進行修飾，使其表達出不同的效應，從而對糖酵解的途徑進行促進或抑制

四、丙酮酸激酶的調(diào)節(jié)

一種是別構(gòu)調(diào)節(jié)（ATP和丙氨酸作為別構(gòu)抑制劑，1，6-二磷酸果糖以前饋激活的方式作用于丙酮酸激酶防止中間的代謝物進行不必要的堆積）；一種是發(fā)生共價修飾（磷酸化，失活。見于胰高血糖素的信號途徑）