-
精心整理
在高等植物中存在着多条呼吸代谢的生化途径，
这是植物在长期进化过程中，
对多
变环境条件适应的
体现。
在缺氧条件下进行酒精发酵和乳酸发酵，
在有氧条件下进
行三
羧酸循环和戊糖磷酸途径，还有脂肪酸氧化分解的乙醛酸循环以及乙醇酸氧化途径等
(
图
5-2)
。
<
/p>
图
5-2
植物体内主要呼吸代谢途径相互
关系示意图
一、糖酵解
己糖在细胞质中分解成丙酮酸的过
程，称为糖酵解（
glycolysis
）
。整个糖酵解化学
过程于
1940
年得到阐明。为纪念在研究这一途径中有突出贡献的三位生物化学家：
,of
和，
又把糖酵解途径称为
EmbdenMeyer
hofParnas
途径，
简称
EMP
途径（
EMPpathway
）
。糖酵解普遍存在于动物、植物、微生物的细胞中。
（一）糖酵解的化学历程
糖酵解途径（图
5-3
）可分为下列几个阶段：
图
5-3
糖
酵解途径
1.
己糖的活化
(1
～
9)
是糖酵解的起始阶段。己糖在己糖激酶作用下，消耗两个
ATP
逐步转化成果糖
-1
，
6
二磷酸
(F-1
，
6-BP)
。
如以淀粉作为底物，
首先淀粉被降解为葡萄糖。
淀粉降解涉及到多种酶的催化作用，
其中，
除淀粉磷酸化酶
(starchphosph
orylase)
是一种葡萄糖基转移酶外，
其余都是水解酶<
/p>
类，如
α
-
淀粉
酶
(α
-amylase)
、
β
-
淀粉酶
(β
-amylase)
、脱支酶
(debran
chingenzyme)
、麦芽
糖酶
(maltase)
等。
2.
己糖裂解
(10
～
11)
即
< br>F-1
，
6-BP
在醛缩酶作用
下形成甘油醛
-3-
磷酸和二羟丙酮磷
酸，后者在异构酶
(isomerase)
作用下可变为甘油醛
-3-
磷酸。
3.
丙糖
氧化
(12
～
16)
< br>甘油醛
-3-
磷酸氧化脱氢形成磷酸甘油酸，产生
1
个
ATP
和
1
个
NADH
，
同时释放能量。
然后，
磷酸甘油酸经脱水、
脱磷酸形成丙酮酸，
并产生
1
个
ATP
，
这一过程分
步完成，有烯醇化酶和丙酮酸激酶参与反应。
糖酵解过程中糖的氧化分解是在没有分子氧的参与下进行的，
其氧化作用所需要的
氧来自水分子和被氧化的糖分子。
在糖酵解过程中
，每
1mol
葡萄糖产生
2mol
丙酮酸时，净产生
2molATP
和
2molNADH+H
+
。
< br>
根据图
< br>5-3
，糖酵解的总反应可归纳为：
C
6
H
12
O
6
+2NAD
+
+2ADP+2H
3
PO
4
→2CH
3
COCOOH+2NADH+2H
+
+2ATP
（
5-4
）
（二）糖酵解的生理意义
1.
糖酵解普遍存在于生物体中，是
有氧呼吸和无氧呼吸途径的共同部分。
2.
糖酵解的产物丙酮酸的化学性质
十分活跃，可以通过各种代谢途径，生成不同的
物质（图
5-4
）
。
图
5-4
丙
酮酸在呼吸和物质转化中的作用
3.
通过糖酵解，生物体可获得生命活动所需的部分能量。对于
厌氧生物来说，糖酵
解是糖分解和获取能量的主要方式。
4.
糖酵
解途径中，除了由己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶等所催化的反应以
外，多数反应
均可逆转，这就为糖异生作用提供了基本途径。
二、发酵作用
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生物体中重要的发酵作用有酒精发酵和乳酸发酵。
在酒精发酵<
/p>
(alcoholfermentation)
过
程
中
,
糖
类
经
过
糖
酵
解
生
成
丙<
/p>
酮
酸
。
然
后
,
丙
酮
酸
先
在
丙
酮
酸
脱
羧
酶
(pyruvicaciddecarboxylase)
作用下脱羧生成乙醛。
CH
3
COCOOH→CO
< br>2
＋
CH
3
CHO(5-5)
乙醛再在
乙醇脱氢酶
(alcoholdehydrogenase)
的
作用下，被还原为乙醇。
CH
3
CHO
＋
NADH
＋
H
+<
/p>
→CH
3
CH
2
OH
＋
NAD
+
(5-6)
< br>在缺少丙酮酸脱羧酶而含有乳酸脱氢酶
(lacticaciddehydrog
enase)
的组织里，丙酮酸
便被
N
ADH
还原为乳酸，即乳酸发酵
(lactatefermen
tation)
。
CH
3
CO
COOH
＋
NADH
＋
H
+
→CH
3
CHOHCOOH
＋
NAD
+
(5-7)
在无氧条件下，通过酒精发酵或乳酸发酵，实现了
NAD+
的再生，这就使糖酵解得
以继续进行。
无氧呼吸过程中形成乙醇或乳酸所
需的
NADH
＋
H
+
，一般来自于糖酵解。因此，当
植物进行无氧呼吸时，糖
酵解过程中形成的
2
分子
NADH
＋
H
+
就会被消耗
掉（图
5-5
）
，
这样每分子葡萄糖在发酵时，只净生成
2
分子
ATP
，葡萄糖中的大部分能量仍保存在乳
酸或乙醇
分子中。可见，发酵作用能量利用效率低，有机物耗损大，依赖无氧呼吸不可
能长期维持
细胞的生命活动，而且发酵产物的产生和累积，对细胞原生质有毒害作用。
如酒精累积过
多，
会破坏细胞的膜结构；
若酸性的发酵产物累积量超过细胞本
身的缓冲
能力，也会引起细胞酸中毒。
图
5-5NAD+
与
NADH
的周转与丙酮酸还原之间的关系
三、三羧酸循环
糖酵解的最终产物丙酮酸，
在有氧条
件下进入线粒体，
通过一个包括三羧酸和二羧
酸的循环逐步脱羧
脱氢，彻底氧化分解
,
这一过程称为三羧酸循环
(tricarboxylicacidcycle
，
TCAC)
。这个循环是英国生物化学家克雷布斯
()
首先发现的，所以又名
Krebs
循环
(Krebscycle)
。
1937
年他提出了一个环式反应来解释鸽子胸肌内的丙酮酸是如何分解的，
并把
这一途径称为柠檬酸循环
(citricacidcycle)
，因为柠檬酸是其中的一个重要中间产物。
TCA
循环普遍存在
于动物、植物、微生物细胞中，是在线粒体基质中进行的。
TCA
循环
的起始底物乙酰
CoA
不仅是糖
代谢的中间产物，也是脂肪酸和某些氨基酸的代谢产物。
因此，
TCA
循环是糖、脂肪、蛋白质三大类物质的共同氧化途径。
（一）三羧酸循环的化学历程
TCA
循环共有
9
步反应
(
图
5-6)
。
1.
反应
(
1)
丙酮酸在丙酮酸脱氢酶复合体催化下氧化脱羧生成乙酰
Co
A
，这是连结
EMP
与
TCAC
的纽带。
丙酮酸脱氢酶复合体
(pyruvi
caciddehydrogenasecomplex)
是由
3
种酶组成的复合体，
含有
6
种辅助因子。这
3
种酶是：丙酮酸脱羧酶
(pyruvicaciddecarboxylase)
、二氢硫辛
酸
乙
酰
基
转<
/p>
移
酶
(dihydrolipoyltr
ansacetylase)
、
二
氢<
/p>
硫
辛
酸
脱
氢
酶
(dihydrolipoicacid
dehydrogenase)
。
6
种
辅助因子。
6
种辅助因子分别是硫胺素焦磷酸
< br>(thiaminepyrophosphate,TPP)
、
< br>辅
酶
A(coenzymeA)
、
硫
辛
酸
(l
ipoicacid)
、
FAD(flavinadenine
dinucleotide)
、
NAD+(nicotinam
ideadeninedinucleotide)
和
Mg
2+
。
图
5-6
三羧酸循环的反应过程
上述反应中从底物上脱下的氢是经
F
AD→FADH
2
传到
NAD
+
再生成
NADH
＋<
/p>
H
+
。
2.
反应
(2)
乙酰
CoA
在柠檬酸合成酶催化下与草酰乙酸缩合为柠檬酸，
并释放
C
oASH
，
此反应为放能反应
(
△
G°
，＝
-32.
22kJ·
mol
-1
)
。
< br>3.
反应
(3)
由顺乌头酸酶催
化柠檬酸脱水生成顺乌头酸，然后加水生成异柠檬酸。
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4.
反应
(4)
在异柠檬酸脱氢酶催化下，异柠檬酸脱氢生成
NADH
，其中
间产物草酰琥
珀酸是一个不稳定的
β
-
酮酸，与酶结合即脱羧形成
α
-
酮戊二酸。
<
/p>
5.
反应
(5)
α
酮戊二酸在
α
酮戊二酸脱氢酶复合体
催化下形成琥珀酰辅酶
A
和
NADH<
/p>
，
并释放
CO
2
。
α
酮戊二酸脱氢酶复合体是由
α
酮戊二酸脱羧酶
(α
-ketoglutaric
aciddecarboxylase)
、
二氢硫辛酸琥珀酰基
转移酶
(dihydrolipoyltranssuccinylase)
及二氢硫辛酸脱氢酶所组成
的，含有
6
种辅助因子：
TPP
、
N
AD
+
、辅酶
A
、
FAD
、硫辛酸及
Mg
2+
。该反应不可逆。
6.
反应
(
6)
含有高能硫酯键的琥珀酰
CoA
在
琥珀酸硫激酶催化下，
利用硫酯键水解释
放的能量，
使
ADP
磷酸化成
ATP
。
该反应是
TCA
循环中唯一的一次底物水平磷酸化，即
由高能化合物水解，放出能量直接形成
ATP
的磷酸化作用。
7.
反应
(7)
琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下，脱氢氧化生成延胡索酸，
脱下的氢生成
FADH
2
。丙二酸、戊
二酸与琥珀酸的结构相似，是琥珀酸脱氢酶特异的竞争性抑制剂。
8.
反应
(8)
延胡索酸经延胡索酸酶催化加水生成苹果酸。
9.
反应
(9)
苹果酸在苹果酸脱氢酶的催化下氧化脱氢
生成草酰乙酸和
NADH
。草酰乙
酸又
可重新接受进入循环的乙酰
CoA
，再次生成柠檬酸，开始新一
轮
TCA
循环。
TCA
循
环的总反应式为：
CH
3
COCOOH
+4NAD
+
＋
FAD
＋
ADP
＋
Pi
＋
2H
2
O
3
CO
2
+4NADH
＋
4H
+
＋
FADH
2
＋
ATP(
5-8)
（二）三羧酸循环的回补机制
TCA
循环中某些中间产物是合成许
多重要有机物的前体。
例如草酰乙酸和
α
酮戊二
酸分别是天冬氨酸和谷氨酸合成的碳架，
延胡索酸是苯
丙氨酸和酪氨酸合成的前体，
琥
珀酰
C
oA
是卟啉环合成的碳架。如果
TCA
循环的中间产物大量消耗于有机物的合成，
就会影响
TCA
循环的正常运行，
因此必须有其他的途径不断地补充，
这称之为
TCA
循环
的回补
机制
(replenishingmechanism)
。主要
有三条回补途径：
1.
丙酮酸的羧化
丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下形成
草酰乙酸。
Pyr
＋
CO
2
< br>＋
H
2
O
＋
ATPOAA+ADP+Pi(5-9)
丙酮酸羧化酶的活性平时较低，
当草
酰乙酸不足时，
由于乙酰
CoA
的累积
可提高该
酶活性。这是动物中最重要的回补反应。
的羧化作
用
在糖酵解中形成的
PEP
不转变为丙
酮酸，而是在
PEP
羧化激酶作
用下形
成草酰乙酸，
草酰乙酸再被还原为苹果酸，
苹果酸经线粒体内膜
上的二羧酸传递
体与
Pi
进行电中性的
交换，进入线粒体基质，可直接进入
TCA
循环；苹果酸也可在
苹
果酸酶的作用下脱羧形成丙酮酸，
再进入
TCA
循环都可起到补充草酰乙酸的作用。
这一
回补反应存在于高等植物、酵母和细菌中，动物中不存在。
PEP
＋
CO
2
＋
H<
/p>
2
O→OAA+Pi(5
-10)
3.
天冬
氨酸的转氨作用天冬氨酸和
α
酮戊二酸在转氨酶作用下可形成草
酰乙酸和谷
氨酸：
ASP
＋
α
-
酮戊二酸
OAA+Glu(5-11
)
通过以上这些回补反应，保证
有适量的草酰乙酸供
TCA
循环的正常运转。
< br>
（三）三羧酸循环的特点和生理意义
1.
在
TC
A
循环中底物
(
含丙酮酸
)
脱下
5
对氢原子，
其中
4
对氢在丙酮酸、
异柠檬酸、
α
-
酮戊二酸氧化脱羧和
苹果酸氧化时用以还原
NAD
+
，一对
氢在琥珀酸氧化时用以还原
FAD
。生成的
NADH
和
FADH
2
，经呼吸链将
H+
和电子传给
O
2
生成
H
2
O,
同时偶联氧化磷
酸化生成
ATP
。
此外，
由
琥珀酰
CoA
形成琥珀酸时通过底物水平磷酸化生成
ATP
。
因而，
TCA<
/p>
循环是生物体利用糖或其它物质氧化获得能量的有效途径。
2.
乙酰
CoA
与草酰乙酸缩合形成柠檬酸，使两个碳原子进入循环。在
两次脱羧反应
中，两个碳原子以
CO
2
的形式离开循环，加上丙酮酸脱羧反应中释放的
CO
2
，这就是有
精心整理
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