5 糖类分解代谢第五章糖类分解代谢5.1新陈代谢概述5.1.1新陈代谢概述5.1.2代谢的研究方法5.2生物体内的糖类5.2.1单糖5.2.2寡糖5.2.3多糖5.3双糖和多糖的酶促降解5.3.1蔗糖、麦芽糖、乳糖的酶促降解5.3.2淀粉(糖原)的酶促降解5.3.3细胞壁多糖的酶促降解5.4糖酵解5.4.1糖酵解的概念5.4.2糖酵解的化学历程5.4.3糖酵解的化学计量与生物学意义5.4.4糖酵解的其他底物5.4.5丙酮酸的去路5.4.6糖酵解的调控5.5三羧酸循环5.5.1丙酮酸氧化为乙酰CoA5.5.2三羧酸循环5.5.3三羧酸循环的调控5.5.4三羧酸循环的生物学意义5.6磷酸戊糖途径5.6.1磷酸戊糖途径的生化历程5.6.2磷酸戊糖途径的化学计量与生物学意义5.6.3磷酸戊糖途径的调控第五章糖类分解代谢本章提要糖的分解代谢包括：糖酵解——糖的共同分解途径；三羧酸循环——糖的最后氧化途径；葡萄糖氧化支路磷酸戊糖途径——糖的直接氧化途径。
动、植物通过淀粉磷酸化酶或淀粉酶水解糖原(淀粉)成葡萄糖。
很多微生物则有水解纤维素的酶。
蔗糖、乳糖等寡糖经水解和异构化成葡萄糖。
葡萄糖经糖酵解—三羧酸循环氧化分解产生CO2和NADH、FADH2。
磷酸戊糖途径则生成CO2和NADPH，后者是合成代谢的还原剂。
糖分解途径的多种中间产物是合成氨基酸、脂肪、核苷酸等的原料。
ATP、NADH、NADPH通过抑制EMP、TCA和HMP途径的关键酶而抑制整个途径。
柠檬酸及脂肪酸也抑制EMP。
果糖2，6-二磷酸、AMP则可激活EMP途径。
糖是生物体重要的能源和碳源。
糖分解可释放能量，供给生命活动的需要。
糖代谢的中间产物作为碳骨架可以转变成氨基酸、脂肪酸、核苷酸等，糖还是植物体内的重要结构物质。
糖类是自然界分布最广的物质之一。
糖类代谢为生物提供重要的碳源和能源。
生物所需的能量，主要由糖分解代谢提供。
1 g葡萄糖经彻底氧化分解可释放约16.74 kJ(千焦耳)的能量。
糖类代谢的中间产物可为氨基酸、核苷酸、脂肪、类固醇的合成提供碳原子或碳骨架。
糖的分解代谢指大分子糖经酶促降解生成小分子单糖后，进一步氧化分解成CO2和H2O，并释放出能量的生物化学变化过程。
糖的分解代谢是生物体广泛存在的最基本代谢，在叙述糖分解代谢之前，先对新陈代谢的概念做一总的论述。
5.1 新陈代谢概述5.1.1 新陈代谢概述新陈代谢(metabolism)是生物的基本特征之一。
新陈代谢又称物质代谢，指生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程。
生物体一方面不断地从周围环境中摄取物质，通过一系列生化反应转变为自己的组成成分，即所谓同化作用(assimilation)；另一方面，将原有的组成成分经过一系列生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，即所谓异化作用(dissimilation)。
通过上述过程不断地进行自我更新。
新陈代谢所包括的同化作用(合成代谢)和异化作用(分解代谢)中，前者是吸能过程，后者是放能过程。
合成和分解代谢既包含着生物体的物质改变，又包含着生物体在生命活动中的能量变化。
其关系可表示如下。
生物体的新陈代谢合成代谢(同化作用) 分解代谢(异化作用)生物小分子合成为生物大分子生物大分子分解为生物小分子物质代谢需要能量(来自分解代谢及光、热等) 放能量(用于合成代谢和生理及运动需能)作为一切生命现象生化基础的新陈代谢，是建立在合成代谢与分解代谢矛盾对立和统一的基础上的，两者间相互联系、相互依存，而且相互制约。
一个总的合成代谢过程，常常包括着一些分解反应；而一个总的分解代谢过程也常常包括着一些合成反应和能量消耗(如活化过程)。
另外，合成代谢为分解代谢提供了物质前提，使外部物质变为内部物质，并贮存了能量；同时，分解代谢为合成代谢提供了原料(分解代谢中间物)和必需的能量，使部分内部物质变为外部物质(植物呼吸中CO2的释放，动物废弃物的排泄等)。
在生命进程中，合成代谢和分解代谢的主次关系也在相互转化，逐渐从以合成代谢为主转化为以分解代谢为主，由于这种转化，就使生物个体的发展呈现出生长、发育和衰老等不同阶段。
各种生物都具有各自特异的新陈代谢类型，此特异方式主要决定于遗传，环境条件也有一定的影响。
但都有共同的特点:①绝大多数代谢反应在温和条件下，由酶催化进行；②繁多的代谢反应相互配合，有条不紊，彼此协调且有严格的顺序性；③是对内外环境条件高度适应和灵敏调节而成的一个有规律的总过程。
④每一代谢都有各自的代谢途径(或称为代谢的化学途径)，代谢反应中任一反应物、中间物或产物，都称为代谢物(metabolite)；⑤无论是生物大分子的合成还是生物大分子的分解都是逐步进行的，伴随着的能量吸收和释放也是逐步进行的。
5.1.2 代谢的研究方法代谢研究主要是指中间代谢的研究方法。
所谓中间代谢指某一代谢中的一系列酶促反应。
研究方法主要包括以下几方面。
1. 示踪法包括：①苯环化合物示踪法，如Knoop利用苯甲酸、苯乙酸标记脂肪酸，提出了脂肪酸β-氧化学说；②稳定同位素示踪法，如利用15NH4Cl，标记DNA分子从而证明了DNA的半保留复制方式；③放射性同位素示踪法，如卡尔文以14CO2饲喂植物，再用纸层析分离CO2代谢的中间物，从而提出光合作用中CO2转变为糖的循环代谢——卡尔文循环(Calvin cycle)。
2. 抗代谢物、酶抑制剂的应用在离体条件下，使用抗代谢物(如磺胺类药物)和酶抑制剂来阻抑、改变反应，观察这些反应被抑制或改变以后的结果，从而推测中间代谢的情况。
3. 体内试验和体外试验中间代谢研究时用生物整体进行研究，称之为“体内研究”，用拉丁语“in vivo”(意即“在体内”)表示。
“in vivo”也包括用整体器官或微生物细胞群进行的研究。
而用组织切片、匀浆、提取液为材料进行研究则称之为体外研究，用“in vitro”或“no vivo”(意即“在体外”、“在试管内”)表示。
Knoop以犬为研究对象，饲喂苯环标记的脂肪酸，再研究犬尿中苯标记物状态，是“体内研究”；而最早研究三羧酸循环的Krebs以肌肉糜(匀浆)为材料，研究酶抑制剂(或抗代谢物)和反应物的加入对反应中间物和代谢终产物的影响，确定了三羧酸循环的反应历程，是“体外研究”。
在实际工作中应根据不同的研究对象采用不同研究方法，但以上方法中最有效、最常用的方法是同位素示踪法(isotopic tracer technique)。
5.2 生物体内的糖类生物体内的糖类化合物，按其组成分为单糖、寡糖和多糖。
5.2.1单糖单糖是最简单的糖，不再被水解成更小的糖单位。
根据其所含碳原子数目分为丙糖、丁糖、戊糖和己糖。
根据其结构特点又分为醛糖和酮糖。
任何单糖的构型，都是由甘油醛及二羟丙酮派生的(见图5-1，5-2)。
图5-1 D-醛糖图5-1 D-酮糖链状醛糖和酮糖，常由于醛基或酮基(C1或C2)与分子末端—CH2OH(C6或C5)基相邻的C 原子上的—OH形成半缩醛而形成六元环(吡喃糖)或五元环(呋喃糖)的环状分子，因此其醛基不如一般醛基活泼。
糖类环状结构的书写方式常遵循W.N.Haworth提出的规定:12右下”。
3C 6或呋喃戊糖的C5，书写时D-型糖环外碳原子及所带基团在环平面上，L-型糖环外碳原子所带基团写在环平面下，即“D上L下”。
4α-D-醛糖C1的—OH在环平面下，β-D-醛糖C1的—OH在环平面上，即C1的—OH基写法是“α下，β上”。
α-酮糖的第1位碳及其基团写在平面上，β-酮糖的第1位碳原子及其基团写在环平面下。
5．2．2寡糖寡糖(oligosaccharide)是少数单糖(2～10个)的缩合产物，低聚糖通常是指20个以下的单糖的缩合产物。
自然界中常见的寡糖见表5-2，常见双糖结构见图5-3。
乳糖蔗糖图 5-3 常见双糖已发现在很多重要的动、植物分子中都有寡糖，如糖蛋白、动物激素、抗体、动物生长素等。
寡糖也存在于细胞膜中，糖链凸出于细胞膜表面是细胞间识别的基础。
5．2．3 多糖多糖(polysaccharide)是多个单糖基以糖苷键连接而形成的高聚物。
常见的多糖多数由一种类型的糖基组成，如淀粉(starch)(糖原，glucogen)、果胶(pectin)、纤维素(cellulose)、菊粉等(inulin)；也有的含有一种以上的糖及其衍生物残基，如各种形式的粘多糖(mucoitin)(表5-3)。
常见多糖结构见图5-4。
同多糖（Homo-）杂多糖（hetero）图5-4淀粉结构a.直链淀粉，b.支链淀粉,c.还原与非还原端5.3 双糖和多糖的酶促降解5.3.1 蔗糖、麦芽糖、乳糖的酶促降解5.3.1.1 蔗糖的水解蔗糖是在植物界中分布最广的双糖，特别是在甘蔗、甜菜和菠萝的汁液中含量很丰富。
蔗糖是重要的光合产物，也是植物体糖类运输的主要形式。
蔗糖的水解主要通过两种酶:1.蔗糖合成酶(sucrose synthetase)催化蔗糖与UDP反应生成果糖和尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)，反应可逆。
蔗糖+UDP蔗糖合成酶UDPG+果糖2(sucrase)可催化蔗糖水解成葡萄糖和果糖:蔗糖+H2O葡萄糖+果糖蔗糖酶又叫转化酶(invertase)，广泛存在于植物体内。
蔗糖水解时，糖苷键断裂的自由能变化为ΔG′=-2762 kJ·mol-1，反应不可逆。
ΔG′表示pH7.0时的自由能变化(见612)。
5.3.1.2 麦芽糖的水解麦芽糖由麦芽糖酶(maltase)水解形成葡萄糖。
在植物体内，麦芽糖酶常与淀粉酶同时存在。
麦芽糖+H2O麦芽糖酶2葡萄糖5.3.1.3乳糖的水解乳糖由β-半乳糖苷酶(galactosidase)催化水解形成D-葡萄糖和D-半乳糖。
乳糖+H2Oβ-半乳糖苷酶葡萄糖+半乳糖5.3.2 淀粉(糖原)的酶促降解淀粉是高等植物的贮存多糖。
它是人类粮食及动物饲料的重要来源。
植物种子萌发和生长所需的能源主要靠自身的淀粉分解提供。
人类及动物在代谢中所需的能量主要由食物中的糖类(淀粉)供给。
动物淀粉——糖原主要储藏在肝脏和骨骼肌中，除此之外，细菌、酵母、真菌及甜玉米中也发现有糖原的存在。
淀粉(或糖原)在酶的作用下，通过两种途径降解：水解，磷酸解，降解的产物也因此而异。
5.3.2.1 淀粉的酶促水解在植物中参与淀粉水解的酶有α-淀粉酶(α-amylase)、β-淀粉酶(β-amylase)、脱支酶(debranching enzyme)和麦芽糖酶。
1 α-淀粉酶为淀粉内切酶，其作用方式是在淀粉分子内部随机切断(水解)α-1，4糖苷键。
如果底物是直链淀粉，生成葡萄糖和麦芽糖的混合物。
如果底物是支链淀粉，则水解产物中除上述产物外，还有含有α-1，6糖苷键的糊精(图5-5)。