第二节 糖的分解代谢
糖的分解代谢是糖在体内的氧化供能过程。糖在体内主要有三条分解代谢途径：①在不需氧的情况下进行糖酵解；②在有氧情况下进行的有氧氧化；③生成5－磷酸核糖为中间产物的磷酸戊糖途径。
一、糖酵解
（一）糖酵解的概念
议一议：
糖酵解的基本过程及生理意义。
葡萄糖或糖原的葡萄糖单位在无氧或缺氧情况下，分解生成乳酸并生成ATP的过程称为糖的无氧分解，这一过程与酵母中糖生醇发酵的过程相似，故又称糖酵解（glycolysis）。
（二）糖酵解的反应过程
糖酵解反应的全过程均在胞液中进行，整个途径可分为两个阶段。第一阶段由葡萄糖或糖原的葡萄糖单位分解生成2分子磷酸丙糖，第二阶段由磷酸丙糖转变为乳酸，其反应过程如下。
葡萄糖─→磷酸丙糖×2─→乳酸×2
1.磷酸丙糖的生成 此阶段包括4步反应。
（1）葡萄糖磷酸化生成6－磷酸葡萄糖：葡萄糖（glucose，G）在己糖激酶或葡萄糖激酶催化下，由ATP提供磷酸基和能量，生成6－磷酸葡萄糖（glucose－6－phosphate，G－6－P）。这一步反应不仅活化了葡萄糖，以便其进一步参与各种代谢，而且还能捕获进入细胞的葡萄糖，使其不再逸出细胞。己糖激酶是糖酵解途径的关键酶（又称限速酶）之一，催化的反应不可逆。己糖激酶主要存在于肝外组织，对葡萄糖有较强的亲和力，在糖浓度较低时，仍可发挥较强的催化作用，这就保证了大脑等重要生命器官，即使在饥饿、血糖浓度降低的情况下，仍可摄取利用葡萄糖以维持能量供应。葡萄糖激酶主要存在于肝，此酶对葡萄糖的亲和力较小，在葡萄糖浓度高时，催化效率较高，有利于肝在高血糖浓度下将大量葡萄糖磷酸化，进而用于合成肝糖原。
糖原（glycogen）进行糖酵解时，首先由磷酸化酶催化糖原分子中的葡萄糖单位磷酸化，生成1－磷酸葡萄糖（glucose－1－phosphate，G－1－P），然后在磷酸葡萄糖变位酶催化下转变成6－磷酸葡萄糖。由糖原转变为6－磷酸葡萄糖是不消耗ATP的。
（2）6－磷酸葡萄糖转变为6－磷酸果糖（fructose－6－phosphate，F－6－P）：这是醛糖和酮糖之间的异构化反应，由磷酸己糖异构酶催化，为可逆反应。
（3）6－磷酸果糖磷酸化为1，6－二磷酸果糖（1，6－fructose－bisphosphate，F－1，6－P或FBP）：6－磷酸果糖在磷酸果糖激酶催化下生成F－1，6－P，这是酵解途径中第二次磷酸化反应，需ATP和Mg2+，反应不可逆。磷酸果糖激酶是糖酵解过程中最重要的关键酶，其催化活性的强弱，直接影响着糖酵解的速度。
（4）1，6－二磷酸果糖裂解为2分子磷酸丙糖：在醛缩酶作用下，F－1，6－P裂解为2分子互为异构体的磷酸丙糖，即3－磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮，二者在异构酶作用下可互相转变。当3－磷酸甘油醛在下一步反应中被消耗时，磷酸二羟丙酮迅速转变为3－磷酸甘油醛，继续进行酵解，故一分子6碳的F－1，6－P相当于生成2分子3－磷酸甘油醛。
至此，以上4步反应有两次磷酸化作用，消耗2分子ATP，这一阶段的特点是耗能。2.乳酸生成 此阶段包括6步反应。
（1）3－磷酸甘油醛氧化生成1，3－二磷酸甘油酸：在3－磷酸甘油醛脱氢酶催化下，3－磷酸甘油醛脱氢氧化，并生成含有一个高能磷酸键的1，3－二磷酸甘油酸（1，3－bi－sphosphoglycerate，1，3－BPG）。本反应脱下的2H，由脱氢酶的辅酶NAD+接受，生成NADH＋H＋。此步反应可逆。
（2）1，3－二磷酸甘油酸转变为3－磷酸甘油酸：1，3－二磷酸甘油酸在3－磷酸甘油酸激酶催化下，将分子内部的高能磷酸基团转移给ADP，生成ATP和3－磷酸甘油酸。这是酵解过程中以底物水平磷酸化方式生成ATP的第一个反应。这是体内产生ATP的次要方式，不需要氧。
（3）3－磷酸甘油酸转变为2－磷酸甘油酸：在磷酸甘油酸变位酶的催化下，3－磷酸甘油酸C3位上的磷酸基转移到C2位上，生成2－磷酸甘油酸。
（4）2－磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸：2－磷酸甘油酸经烯醇化酶作用进行脱水反应，使分子内部能量重新分配，形成含有1个高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸（phos－phoenolpyruvate，PEP）。
（5）丙酮酸的生成：PEP在丙酮酸激酶（PK）催化下，使分子中的高能磷酸基转移给ADP生成ATP，其自身生成烯醇式丙酮酸，并自动转变为丙酮酸。丙酮酸激酶是关键酶，催化的反应不可逆，这是糖酵解途径中第二个以底物水平磷酸化方式生成ATP的反应。
（6）丙酮酸还原为乳酸：乳酸脱氢酶催化丙酮酸还原为乳酸，供氢体NADH＋H+来自3－磷酸甘油醛脱下的氢，丙酮酸则起到受氢体的作用，使NADH＋H+得以再生为NAD+，保证了糖酵解的继续进行。
现将糖酵解反应的全过程综合如图5－2。
（三）糖酵解反应特点
1.糖酵解的起始物是葡萄糖或糖原，反应在胞液中进行，全过程没有氧的参与，反应中生成的NADH＋H+只能将2H交给丙酮酸，使之还原成乳酸。因此，乳酸是糖酵解的必然产物。
2.糖酵解途径释放能量较少，1分子葡萄糖可氧化为2分子丙酮酸，经2次底物水平磷酸化，可产生4分子ATP，除去葡萄糖活化时消耗的2分子ATP，可净生成2分子ATP；若从糖原开始，则净生成3分子ATP。
3.糖酵解反应的全过程中，有三步是不可逆的单向反应。催化这三步反应的己糖激酶（肝中是葡萄糖激酶）、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶是糖酵解过程中的关键酶，其中以磷酸果糖激酶的催化活性最低，是最重要的关键酶。这三个酶催化的反应可通过其他的酶催化而使整个酵解过程可逆。
（四）糖酵解的生理意义
1.糖酵解主要生理意义是在机体缺氧时提供能量 正常生理情况下，人体主要靠糖的有氧氧化供能，但当氧供应不足时，需靠糖酵解提供一部分急需的能量。如剧烈运动时，能量需求增加，呼吸和循环加快，肌肉处于相对缺氧状态，必须通过糖酵解提供急需的能量；又如呼吸或循环功能障碍、严重贫血、大量失血等造成机体缺氧时，也通过糖酵解增强供应能量。倘若机体相对缺氧时间较长，可造成糖酵解产物乳酸的堆积，可能引起代谢性酸中毒。
图6－2 糖酵解的过程
2.糖酵解是某些组织生理情况下的供能途径 少数组织即使在氧供应充足的情况下，仍主要靠糖酵解供能，如视网膜、睾丸、肾髓质和皮肤等。成熟红细胞由于无线粒体，故以糖酵解为其唯一供能途径。神经、白细胞、骨髓、肿瘤细胞中酵解也很活跃。
3.糖酵解的逆反应是糖异生的途径。
二、糖的有氧氧化
（一）糖的有氧氧化的概念
葡萄糖或糖原的葡萄糖单位在有氧条件下彻底氧化成水和二氧化碳并释放大量能量的过程，称为糖的有氧氧化（aerobic oxidation）。有氧氧化是糖分解代谢的主要方式，绝大多数组织细胞都从有氧氧化获得能量。
（二）有氧氧化的反应过程
糖的有氧氧化过程可分为三个阶段：①葡萄糖或糖原分解为丙酮酸；②丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA；③乙酰CoA经三羧酸循环彻底氧化生成二氧化碳、水和ATP。
1.丙酮酸的生成 葡萄糖转变为丙酮酸的阶段，是糖有氧氧化和糖酵解共有的过程，也称为糖酵解途径。有氧氧化与糖酵解所不同的反应是3－磷酸甘油醛脱氢产生的NADH＋H+在有氧条件下，不再交给丙酮酸使其还原为乳酸，而是进入线粒体经呼吸链氧化生成水并释放出能量。
2.丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA 丙酮酸经线粒体内膜上特异载体转运进入线粒体，又在丙酮酸脱氢酶复合体催化下，经脱氢、脱羧、酰化等反应生成乙酰CoA，总反应如下：
丙酮酸生成乙酰CoA的反应是糖有氧氧化过程中重要的不可逆反应，其重要特征是丙酮酸氧化释放的自由能储存于乙酰CoA及NADH中。乙酰CoA可参与多种代谢途径，NADH则进入呼吸链继续氧化。
丙酮酸脱氢酶系属于多酶复合体，由三种酶组合而成（表5－1）。
表6－1 丙酮酸脱氢酶系的组成
丙酮酸脱氢酶系作用机制见图6－3。
丙酮酸脱氢酶系的五种辅酶均含有维生素。特别是维生素B1参与丙酮酸脱氢酶系的构成，当维生素B1缺乏时，体内TPP不足，则影响丙酮酸脱氢酶系的活性，使丙酮酸脱羧受阻，以致神经组织、心肌能量供应不足，并伴随丙酮酸和乳酸在神经组织、心肌堆积，影响其代谢和功能，引起“脚气病”。缺乏维生素B2常引起口角炎、舌炎及鳞屑性皮炎，缺乏维生素PP可引起癞皮病。
3.乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化分解 三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TAC）亦称柠檬酸循环，是从乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成含三个羧基的柠檬酸开始，经过一系列反应，最终仍然生成草酰乙酸而构成循环。由于最早由Krebs提出，故也称为Krebs循环。三羧酸循环是乙酰CoA彻底氧化的途径，在线粒体中进行，包括8步反应，反应结构式见图5－4。
图6－3 丙酮酸脱氢酶系作用机制
图6－4 三羧酸循环
（1）柠檬酸的生成：柠檬酸合成酶催化乙酰CoA的乙酰基与草酰乙酸缩合生成柠檬酸，释放HSCoA，此反应不可逆。反应所需能量来自乙酰CoA中高能硫酯键的水解。
（2）异柠檬酸的生成：在顺乌头酸酶的催化下，柠檬酸先脱水生成顺乌头酸，后者则水化生成异柠檬酸，反应的结果使C3上的羟基转移到C2上，此反应可逆。
（3）异柠檬酸氧化脱羧：异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶催化下，脱氢、脱羧，转变为α－酮戊二酸，脱下的氢由NAD+接受。反应不可逆，异柠檬酸脱氢酶是三羧酸循环的关键酶。
（4）α－酮戊二酸氧化脱羧：α－酮戊二酸在α－酮戊二酸脱氢酶复合体催化下，脱氢、脱羧，转变为琥珀酰辅酶A。其反应过程及机制与丙酮酸的氧化脱羧反应类同。该酶系为关键酶，催化反应不可逆。
（5）琥珀酸的生成：琥珀酰辅酶A含有高能硫酯键，在琥珀酸硫激酶（又称琥珀酰辅酶A合成酶）催化下，将其能量转移给GDP，生成GTP，其本身则转变为琥珀酸，这是三羧酸循环中唯一经底物水平磷酸化生成的高能化合物，生成的GTP再将其高能磷酸键转移给ADP生成ATP，此反应不可逆。
（6）琥珀酸脱氢生成延胡索酸：琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下生成延胡索酸，脱下的氢由FAD传递。
（7）延胡索酸加水生成苹果酸：延胡索酸酶催化此可逆反应。
（8）草酰乙酸的再生：苹果酸在苹果酸脱氢酶催化下生成草酰乙酸，脱下的氢由NAD+传递。再生的草酰乙酸可再次进入三羧酸循环。
议一议：
乙酰CoA中的乙酰基进入三羧酸循环被氧化后的直接产物是什么？
（三）三羧酸循环的特点
1.三羧酸循环是乙酰CoA彻底氧化的过程 三羧酸循环中1分子乙酰CoA经2次脱羧反应使分子中的碳原子转变为二氧化碳而释放。实际上是氧化了1分子乙酰CoA。反应全部酶系都存在于细胞线粒体中。
2.三羧酸循环是需氧的代谢过程 是产生ATP的主要途径。三羧酸循环中有4次脱氢反应，其中3次以NAD+为受氢体，每分子NADH＋H+经呼吸链氧化产生2.5个ATP，1次以FAD为受氢体，1分子FADH2经氧化可生成1.5个ATP，加上底物水平磷酸化生成的1个高能磷酸键（GTP），故1分子乙酰CoA经三羧酸循环氧化产生10个ATP。氧间接参与三羧酸循环，因为三羧酸循环中产生的NADH＋H+和FADH2必须经呼吸链把电子传递给氧，重新氧化成NAD+和FAD，因此三羧酸循环是需氧的代谢过程。
3.三羧酸循环不可逆 三羧酸循环中柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和α－酮戊二酸脱氢酶复合体是该代谢途径的关键酶，这3个酶所催化的三步反应均是单向不可逆反应，所以三羧酸循环是不可逆转的。
想一想：
糖酵解和糖有氧氧化在细胞内代谢的部位、反应条件、ATP生成方式和数量、终产物及主要生理意义有何不同？
4.三羧酸循环中间物质的补充 三羧酸循环是一个周而复始的不可逆的循环，因此循环中的中间产物如草酰乙酸、α－酮戊二酸、琥珀酸等都起着促进循环的作用，其量不会因参加循环而减少。但由于体内各代谢途径的交汇和无定向，三羧酸循环中的产物亦可进入其他代谢途径而被消耗，如草酰乙酸可转变为天门冬氨酸，α－酮戊二酸转变为谷氨酸，参与蛋白质的合成，因而这些中间产物必须不断更新和及时补充，才能保证循环的正常进行。故补充三羧酸循环的中间物质是必需的，中间物质的补充反应又称回补反应。最重要的回补反应是丙酮酸羧化形成草酰乙酸。
（四）有氧氧化的生理意义
1.有氧氧化是体内供能的重要途径 1mol葡萄糖经有氧氧化可生成30（或32）mol ATP，而糖酵解从葡萄糖开始仅生成2molATP（若从糖原开始生成3mol ATP），前者是后者的15（或16）倍，总结如表5－2所示。
表6－2 葡萄糖有氧氧化生成的ATP
续表
＊获得ATP的数量取决于还原当量进入线粒体的穿梭机制。
2.三羧酸循环是糖、脂肪、蛋白质彻底氧化的共同途径 三大营养物质糖、脂肪、蛋白质经代谢后均可生成乙酰CoA，乙酰CoA必须经过三羧酸循环才能彻底氧化。因而糖、脂肪、蛋白质氧化的最终产物都是H2O、CO2，并生成大量ATP。
议一议：
三羧酸循环有何特点？为什么说三羧酸循环是糖、脂肪及蛋白质在体内彻底氧化的共同途径和相互联系的枢纽？
3.三羧酸循环是物质代谢联系的枢纽 糖分解代谢产生的丙酮酸、α－酮戊二酸、草酰乙酸等可分别转变成丙氨酸、谷氨酸和天冬氨酸；同样这些氨基酸也可脱氨基后生成相应的α－酮酸，进入三羧酸循环彻底氧化；脂肪分解产生甘油和脂肪酸，前者可转变成磷酸二羟丙酮，后者可生成乙酰CoA，它们均可进入三羧酸循环氧化供能，故三羧酸循环是糖、脂肪、氨基酸互变的枢纽。
4.三羧酸循环提供生物合成的前体 三羧酸循环中的某些成分可用于合成其他物质，例如琥珀酰辅酶A可用于血红素的合成。
三、磷酸戊糖途径
（一）磷酸戊糖途径的概念
糖在分解代谢过程中有磷酸戊糖产生的途径称磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway），这是葡萄糖在体内除有氧氧化、无氧酵解主要分解途径外的另一重要途径。该途径主要在肝、脂肪组织、哺乳期的乳腺、肾上腺皮质、性腺、骨髓和红细胞中进行。
（二）反应过程
磷酸戊糖途径在胞液中进行，全过程分为两个阶段：第一阶段是6－磷酸葡萄糖脱氢氧化生成磷酸戊糖，第二阶段是一系列基团转移反应。其全部反应过程如图5－5所示。
1.磷酸戊糖的生成 6－磷酸葡萄糖经2次脱氢反应和1次脱羧反应生成2分子NADPH＋H+和1分子的CO2后，转变为5－磷酸核酮糖。
2.基团移换反应 此阶段在异构酶、转酮酶、转醛酶等一系列酶作用下，生成5－磷酸核糖、6－磷酸果糖和3－磷酸甘油醛等，前者用于合成核酸，而后二者则进入糖酵解途径进行代谢。
磷酸戊糖途径中的关键酶是6－磷酸葡萄糖脱氢酶，此酶活性受NADPH＋H+浓度的影响，NADPH＋H+浓度增高时抑制该酶活性。
图6－5 磷酸戊糖途径
（三）磷酸戊糖途径的生理意义
议一议：
磷酸戊糖途径有何生理意义？
1.为核酸的生物合成提供核糖 核糖是核酸和游离核苷酸的组成成分。磷酸戊糖途径是体内利用葡萄糖生成5－磷酸核糖的唯一途径，为体内核苷酸的合成并进一步为核酸的合成提供了原料。
2.提供NADPH＋H+作为供氢体参与多种代谢反应
（1）NADPH＋H+作为供氢体参与胆固醇、脂肪酸、皮质激素和性激素等的生物合成。
（2）NADPH＋H+是加单氧酶系（羟化反应）的供氢体，因而与药物、毒物和某些激素的生物转化有关（详见第十四章）。
（3）NADPH＋H+是谷胱甘肽还原酶的辅酶，这对维持细胞中还原型谷胱甘肽（GSH）的正常含量起着重要作用。GSH可与氧化剂如H2O2起反应，从而保护一些含巯基的蛋白质或酶免遭氧化而丧失正常的结构和功能。如红细胞中的GSH可以保护红细胞膜上含巯基的蛋白质和酶，以维持膜的完整性和酶活性。遗传性6－磷酸葡萄糖脱氢酶缺陷的患者，磷酸戊糖途径不能正常进行，NADPH＋H+缺乏，GSH含量减少，其红细胞易于破坏而发生溶血性贫血，因患者常在食蚕豆后发病，故称蚕豆病。
