1、第十二章 糖的合成代謝 生物界利用的自由能絕大部分都來自太陽能，光合作用是自然界將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的主要途徑。地球上每年由植物捕獲的太陽能至少產(chǎn)生4.210 17千焦耳自由能。 光合細(xì)胞捕獲光能(太陽能)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過程，即綠色植物或光合細(xì)菌利用光能將CO2轉(zhuǎn)化成有機(jī)化合物的過程稱為光合作用。 光合作用的基本公式可表達(dá)如下：,(CH2O)代表糖，綠色植物中光合作用在葉綠體中進(jìn)行。 綠色植物以H2O為氫(電子)供體還原CO2，同時(shí)產(chǎn)生O2。其總反應(yīng)為：,光合細(xì)菌利用其他化合物代替水作為電子供體，如硫細(xì)菌，以硫化氫為氫供體。其光合作用的總反應(yīng)為：,用乳酸為氫供體的光合細(xì)菌，其光合作用的總反

2、應(yīng)為：,Cornelis Van Niel提出光合作用可寫成以下通式：,他還提出高等植物光合作用產(chǎn)生的O2不是來源于CO2，而是來源于H2O。1941年用含同位素18O的水作實(shí)驗(yàn)，證明了這一論斷。,第一節(jié) 光合作用 一、光合作用的兩個(gè)階段 1939年英國劍橋大學(xué)Robert Hill發(fā)現(xiàn)葉綠體在光照下，只要有適當(dāng)?shù)碾娮邮荏w即可產(chǎn)生氧。他的實(shí)驗(yàn)證明光合作用產(chǎn)生O2，并不需要CO2。 光合作用的第一階段段光反應(yīng)，第二階段是不需要光的酶促反應(yīng)或稱暗反應(yīng)。 光反應(yīng)是由光合色素將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能并形成ATP和NADPH的過程。暗反應(yīng)是利用ATP和NADPH的化學(xué)能使CO2還原成糖或其他有機(jī)物的一系列酶促

3、過程。暗反應(yīng)并不是指只能在夜間或暗處進(jìn)行的反應(yīng)。只是不需要光而已，在白天也可以進(jìn)行糖的合成。,二、葉綠體的結(jié)構(gòu)及組成 葉綠體是光合作用的器官。典型的葉綠體有5um長，像線粒體由外膜和內(nèi)膜組成，兩膜之間有間隙。膜包著基質(zhì)，基質(zhì)內(nèi)含有許多可溶性酶，可以參加暗反應(yīng)。使CO2還原成葡萄糖。 基質(zhì)內(nèi)還有膜系統(tǒng)排列折疊成片層，片層間隔擴(kuò)大成扁平盤狀胞囊，為類囊體。它們彼此垛疊排列成基粒，基粒之間由片層連接。與線粒體類似，膜上含有大量可進(jìn)行光反應(yīng)的光合色素。 細(xì)菌無葉綠體，它們的光合色素存在于類似的片層結(jié)構(gòu)中。,第二節(jié) 光反應(yīng) 一、光合色素 綠色植物葉綠體中接受光能的主要分子是葉綠素，包括葉綠素a和葉綠素b

4、； 另一類為類胡蘿卜素，包括胡蘿卜素和葉黃素。 細(xì)菌和藻類中還有藻膽色素、葉綠素c等。 葉綠素是一類含鎂的卟啉衍生物，其一個(gè)帶羧基的側(cè)鏈與一個(gè)含有20個(gè)碳的植醇形成酯。,葉綠素b和葉綠素a的區(qū)別在于吡咯環(huán)II上是甲酰基或是甲基,這種具有雙鍵和單鍵交替的分子稱為多烯類化合物，在可見光譜區(qū)有很強(qiáng)的吸收帶。 葉綠素a或b的摩爾吸收系數(shù)在有機(jī)化合物中最大，大于l0 5cmmoIL。 葉綠素a和b最高吸收率的位置不同，葉綠素b在460nm，葉綠素a在680nm的位置。 葉綠素a和細(xì)菌葉綠素a都是光合色素，葉綠素b和類胡蘿卜素所吸收的光也能傳遞給葉綠素a。 胡蘿卜素還能保護(hù)葉綠素a，使免于受光氧化。,胡蘿

5、卜素也是一個(gè)含有11個(gè)雙鍵的不飽和化合物，有12個(gè)同分異構(gòu)體，常見的是胡蘿卜素。 葉黃素是胡蘿卜素衍生的二元醇。它們的結(jié)構(gòu)式如下：,二、光反應(yīng)系統(tǒng) Robert Emerson和William Arnold測(cè)定綠藻細(xì)胞光照后氧的釋放，發(fā)現(xiàn)在充足的光線照射下，每2500個(gè)葉綠素分子放出1分子氧。 因此推測(cè)幾百個(gè)葉綠素分子吸收光量子后將其匯集到反應(yīng)中心的葉綠素分子上，只有這一小部分位于反應(yīng)中心的葉綠素分子參與光反應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能。 這種由色素分子裝配成的系統(tǒng)能把吸收的能量匯集到光反應(yīng)中心，稱光系統(tǒng)。,1光系統(tǒng)I和光系統(tǒng)II 本來光量子效率(即每個(gè)光量子經(jīng)光合作用產(chǎn)生氧的摩爾數(shù))應(yīng)該與波長無關(guān)

6、，但是實(shí)驗(yàn)證明，不同波長光譜的光量子效率不同。 雖然葉綠素在波長為680一700nm仍有強(qiáng)的吸收，但是光合作用效率在680nm以上時(shí)急劇下降，這現(xiàn)象稱為紅降 。 在波長700nm和波長600nm的光照射下，光合作用的速度要比分別在600nm和700nm波長下照射下所產(chǎn)生的光合作用總和還要大，稱為增效現(xiàn)象。 由上述二個(gè)現(xiàn)象說明，有兩個(gè)光系統(tǒng)參加光合作用反應(yīng)，稱為光系統(tǒng)I及II。所有放氧的光合細(xì)胞中，葉綠體的類囊膜中都包埋著光系統(tǒng)I和光系統(tǒng)II。,（1）光系統(tǒng)II包括一個(gè)捕獲光能的復(fù)合體，一個(gè)反應(yīng)中心核及一個(gè)產(chǎn)生氧的復(fù)合體。 捕獲光能的復(fù)合體含有約200個(gè)葉綠素分子與20多個(gè)蛋白質(zhì)亞基跨膜組裝而成

7、。 反應(yīng)中心含有50個(gè)葉綠素a，激發(fā)電子的光能就是由這些葉綠素天線流入反應(yīng)中心，稱P680，P指色素，680是最大吸收波長nm。,產(chǎn)生氧復(fù)合體中的水裂解酶分子內(nèi)有4個(gè)錳離子組成簇，位于催化中心，有5種氧化狀態(tài)。 從S0S1S2S3S4，每步失去一個(gè)電子，氧化狀態(tài)逐步升高，S0、S1、S2是較低的氧化態(tài)，可能是立體烷型4個(gè)Mn原子與4個(gè)氧原子結(jié)合，S2與2分子H2O結(jié)合形成S3，進(jìn)一步去電子，成為與6個(gè)氧原子結(jié)合的S4，它是高氧化態(tài)的金鋼烷型。S4失去O2又恢復(fù)成S0。 光系統(tǒng)II P680是強(qiáng)氧化劑通過Z中間物使Mn中心失去四個(gè)電子，Mn中心作為能荷的積聚形式，可斷裂2分子水得到4個(gè)電子形成O

8、2，每次循環(huán)釋放4個(gè)質(zhì)子。,（2）光系統(tǒng)I 是一個(gè)跨膜復(fù)合物，含有11個(gè)不同的蛋白質(zhì)亞基，由約100個(gè)葉綠素分子組裝而成，光反應(yīng)中心具有1個(gè)葉綠素a分子。光合系統(tǒng)I在光波長700nm附近被激活，不產(chǎn)生氧，而是與一系列電子載體連接，最終產(chǎn)生NADPH。 這兩個(gè)光系統(tǒng)互相補(bǔ)充，光系統(tǒng)I由700nm波長的光照射，最終產(chǎn)生NADPH。光合系統(tǒng)II被較短波長680nm激活，導(dǎo)致O2的生成。不放氧的光合細(xì)菌僅含有光系統(tǒng)I。 這兩個(gè)光系統(tǒng)是電子強(qiáng)化器，利用光能推動(dòng)電子逆電勢(shì)梯度從H2O到NADP傳遞。,三、光反應(yīng)的電子傳遞鏈(光合鏈) 光能被光反應(yīng)中心周圍的天線色素分子吸收，匯集到反應(yīng)中心，使色素P由基態(tài)提

9、高到激發(fā)態(tài)用P*表示，通常吸收一個(gè)光子可以使一個(gè)電子的能量提高1V，因此P*是強(qiáng)還原劑，有很強(qiáng)的供電子能力。 當(dāng)把電子供給適當(dāng)?shù)氖荏w后，缺失電子的P是一個(gè)強(qiáng)氧化劑，極易接受電子。 被激發(fā)的電子沿著類囊體膜中一系列電子傳遞體轉(zhuǎn)移，組成光合鏈。 光合鏈中能量變化有兩次起落。涉及兩個(gè)光合系統(tǒng)?？煞殖蓛蓚€(gè)階段。,第一階段：光刺激P680或激發(fā)態(tài)P680*僅用幾微微秒的時(shí)間P680*的電子傳給脫鎂葉綠素，這是一個(gè)Mg被H取代的葉綠素a，反應(yīng)中心變成正游離基P680。 光合系統(tǒng)IIP680是強(qiáng)氧化劑，通過中間物Z從水中抽出電子，傳給質(zhì)體醌(縮寫為QH2)。H2O和質(zhì)醌的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電勢(shì)分別為0.82V及0

10、.1V，它們的電勢(shì)差為0.72V。電子之所以能逆流而上，是因?yàn)楣庀到y(tǒng)II吸光能使680nm光照下電子具有1.82V ，足夠克服0.72V的電勢(shì)能障礙。Mn將電子從水中抽出，在形成O2的過程中起著關(guān)鍵的作用。 質(zhì)體醌類似于泛醌，可接受氫成還原型：,電子從脫鎂葉綠素到質(zhì)體醌有兩個(gè)中間受體QA和QB，電子先傳送到QA，再到QB，再從QB傳遞到質(zhì)體醌。QA和QB是兩種結(jié)合有質(zhì)體醌的蛋白質(zhì)。 QH2提供電子給細(xì)胞色素bf。 細(xì)胞色素bf復(fù)合物具有4個(gè)亞基；34000細(xì)胞色素f，23000細(xì)胞色素b563，它具有二個(gè)血色素，由分子量為20 000的FeS蛋白和分子量為17 000多肽鏈組成。 其作用與生物

11、氧化中細(xì)胞色素b類似，起質(zhì)子泵的作用。,細(xì)胞色素bf催化電子從QH2到質(zhì)體藍(lán)素(縮寫為PC)，與此同時(shí)將質(zhì)子泵入類囊體膜內(nèi)。細(xì)胞色素bf中的鐵硫蛋白參加質(zhì)藍(lán)素的還原作用，在電子傳遞同時(shí)驅(qū)動(dòng)基質(zhì)中的質(zhì)子泵入膜內(nèi)。 質(zhì)藍(lán)素是一個(gè)分子量為11000的水溶性蛋白質(zhì)，它的氧化還原中心有Cu2，它與蛋白質(zhì)中的半胱氨酸、甲硫氨酸和兩個(gè)組氨酸殘基螯合，造成二價(jià)銅平面的幾何形狀扭變，使銅易于轉(zhuǎn)變成氧化態(tài)從1至2。 總之，在第一階段中，光合系統(tǒng)II從水得到電子產(chǎn)生氧，并通過細(xì)胞色素bf產(chǎn)生質(zhì)子梯度和還原質(zhì)藍(lán)素。,第二階段：光合系統(tǒng)I像光合系統(tǒng)II一樣，經(jīng)光誘發(fā)成激發(fā)態(tài)，并使一個(gè)電子從P700*射出，激發(fā)態(tài)的反應(yīng)中

12、心變成P700。 P700是弱氧化劑，它從還原的質(zhì)藍(lán)素捕獲電子變成P700，可再一次激發(fā)出電子。受體A0接受P700*發(fā)出的電子成為A0，它是十分強(qiáng)的還原劑E1.1V。高勢(shì)能的電子從A0轉(zhuǎn)移至A，然后轉(zhuǎn)至鐵硫中心(FeS)，再至鐵氧還蛋白(縮寫為Fd)。鐵氧還蛋白是12 000的水溶性蛋白，含有一個(gè)Fe2S2中心來。電子從鐵氧還蛋白通過鐵氧還蛋白NADP+還原酶傳至NADP形成NADPH， 因?yàn)殍F氧還蛋白NADP+還原酶以FAD為輔基，所以縮寫為Fp。 整個(gè)光反應(yīng)是在膜與基質(zhì)的界面上進(jìn)行，因此將質(zhì)子攝入形成NADPH，使跨類囊膜的質(zhì)子梯度進(jìn)一步升高。,四、光合磷酸化 由光照引起的電子傳遞與磷酸

13、化作用相偶聯(lián)而生成ATP的過程稱光合磷酸化。 1、光合磷酸化的形成： 按照電子傳遞的方式可將光合磷酸化分為 非循環(huán)式的光合磷酸化 循環(huán)式的光合磷酸化,(1)非循環(huán)式光合磷酸化： 光照后，激態(tài)葉綠素分子P680*從H2O得到電子傳遞給NADP，電子流動(dòng)經(jīng)過兩個(gè)光系統(tǒng)，兩次激發(fā)生成的高能電子，呈Z字形傳遞。 電子傳遞過程中產(chǎn)生的質(zhì)子梯度，驅(qū)動(dòng)ATP的形成，因此非循環(huán)光合磷酸化包括光合系統(tǒng)I和光合系統(tǒng)II，其產(chǎn)物除ATP外還有NADPH(綠色植物)或NADH(光合細(xì)菌)，可用下列各式表示： 綠色植物,(2)循環(huán)式光合磷酸化： 電子流動(dòng)的途徑從光合系統(tǒng)I P700至鐵氧還蛋白后又傳給細(xì)胞色素bf復(fù)合物

14、，而不給NADP，然后細(xì)胞色素bf又將電子通過質(zhì)藍(lán)素傳給光合系統(tǒng)I P700。 電子循環(huán)流動(dòng)，產(chǎn)生質(zhì)子梯度，從而驅(qū)動(dòng)ATP的形成。這種形式的光合磷酸化稱為循環(huán)光合磷酸化。 在整個(gè)過程中，只有ATP的產(chǎn)生不伴隨著NADPH的生成。光合系統(tǒng)II也不參加，所以也不產(chǎn)生O2。當(dāng)植物沒有NADP時(shí)就發(fā)生循環(huán)光合磷酸化。,2光合磷酸化的機(jī)制： 1966年，Andre Jagendorf實(shí)驗(yàn)證明，即使在暗處葉綠體也可以形成ATP，只要在類囊膜兩側(cè)形成人為的pH梯度。即將葉綠體在pH4緩沖液中泡12小時(shí)，然后迅速與含ADP、Pi的pH 8緩沖液混合，葉綠體基質(zhì)的pH迅速升至8、但是類囊體中的pH仍是4，這時(shí)發(fā)

15、現(xiàn)隨著類囊膜兩側(cè)pH梯度的消失，同時(shí)有ATP形成，見圖148，所以提出與氧化磷酸化類似的光合磷酸化的化學(xué)滲透學(xué)說。 在光合磷酸化中也需要完整的膜，在光激發(fā)下H從基質(zhì)流向類囊膜內(nèi)形成跨膜質(zhì)子梯度。ATP酶是在膜外，形成ATP氫質(zhì)子才流出去。,3葉綠體ATP酶： 催化在葉綠體中合成ATP的酶與線粒體中的ATP酶十分相似。 葉綠體中ATP酶也像門把位于類囊膜外側(cè)。存在于不垛疊的類囊膜中。 ATP酶可分為CF1和CF0兩部分。CF0插在膜中，起質(zhì)子通道作用，CFl由3、3、亞基組成，、亞基有結(jié)合ADP的功能，亞基控制質(zhì)子流動(dòng)，亞基與CF0結(jié)合，亞基在暗處有抑制催化的功能，限制ATP水解，避免浪費(fèi)行為。

16、CFl在基質(zhì)一邊，所以新合成的ATP釋放到基質(zhì)中去。CF0至少有三個(gè)亞基組成，寡霉素可以抑制ATP酶的活性，從而可以阻斷光合磷酸化作用。,4光合磷酸化標(biāo)準(zhǔn)自由能變化：光合作用的總反應(yīng)式為 形成一分子氧需4個(gè)電子，8個(gè)光量子。所以6個(gè)氧分子共需6848個(gè)光量子。 每摩爾光量子含有6.0210 23光量子，不同波長下光量子具有的能量不同，見表141。短波長光能量較大。,若按700nm波長光計(jì)算，48個(gè)光量子有481708265千焦耳摩爾能量，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，1摩爾葡萄糖需花2881千焦耳自由能，因此光合作用能量利用效率為2881/826535。,第三節(jié) 暗反應(yīng) 綠色植物和光合細(xì)菌通過光合磷酸化作用將

17、日光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，即NADPH的還原能和ATP的水解能，并以此促進(jìn)二氧化碳還原成糖。 二氧化碳的固定和還原主要通過光合環(huán)，即Calvin循環(huán)。由于它的最初產(chǎn)物是3磷酸甘油酸，是含三碳的化合物，因此又稱三碳循環(huán)。 后來又發(fā)現(xiàn)某些熱帶和亞熱帶起源的植物中還存在著另一個(gè)固定二氧化碳的途徑，稱為四碳循環(huán)。,一、三碳循環(huán)(Calvin循環(huán)) 1940年Melvin Calvin在單細(xì)胞綠藻中作14CO2示蹤實(shí)驗(yàn)。在幾秒鐘光照后，用乙醇停止酶的反應(yīng)，以雙向紙層析分離放射性產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)C14標(biāo)記在3磷酸甘油酸的羧基上，進(jìn)步研究發(fā)現(xiàn)CO2與1，5二磷酸核酮糖縮合成6碳化合物，然后迅速裂解成二分子3磷酸甘油酸。

18、 催化這反應(yīng)的酶是1，5二磷酸核酮糖羧化酶（ Rubisco ）。這個(gè)酶位于類囊膜上朝基質(zhì)一側(cè)。有8個(gè)56000大亞基和8個(gè)14000小亞基。每個(gè)大亞基上有催化和調(diào)節(jié)位點(diǎn)，小亞基的作用不清楚。 在葉綠體中此酶的含量十分豐富，大約是總蛋白量的60?？赡芩亲匀唤绾孔钬S富的酶。,三碳循環(huán)的步驟 (1)第一步是1，5二磷酸核酮糖加CO2合成2羧基3酮基1，5二磷酸核糖中間產(chǎn)物，然后水化形成二醇，在C3上斷裂產(chǎn)生一個(gè)3磷酸甘油酸和一個(gè)負(fù)碳離子，后者再質(zhì)子化形成另個(gè)3磷酸甘油酸。,Rubisco酶催化機(jī)制是酶的特殊賴氨酸上的氨基加上CO2形成帶負(fù)電的氨甲?；衔?，它可與二價(jià)金屬M(fèi)g2+或Mn2+形成正

19、電中心，在催化時(shí)它似乎作為電子穴起作用。,從第二步到第八步3磷酸甘油酸經(jīng)一系列酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)化成6磷酸果糖，催化這一系列反應(yīng)的酶與糖的異生途徑相似，不過3磷酸甘油醛脫氫酶在葉綠體中是以NADPH為輔基，而不是NADH， 其反應(yīng)加下：,從第九步到第十四步是再生1，5二磷酸核酮糖的步驟，由一系列轉(zhuǎn)酮酶和轉(zhuǎn)醛酶催化這些反應(yīng)，催化酶及反應(yīng)式與戊糖途徑類似，反應(yīng)如下：,最后是5磷酸核酮糖在磷酸核酮糖激酶的催化下再生成1，5二磷酸核酮糖，ATP是磷?；墓w。,所以Calvin循環(huán)的總反應(yīng)是：,二、暗反應(yīng)的代謝調(diào)控 暗反應(yīng)中限速步驟是由核酮糖二磷酸羧化酶催化的CO2固定反應(yīng)。 此酶是別構(gòu)酶，因?yàn)楣庹杖~綠體產(chǎn)生

20、的三個(gè)因素可刺激此酶的活性。 1光照葉綠體后，H經(jīng)基質(zhì)流至類囊膜內(nèi)，使基質(zhì)的pH升高，經(jīng)pH7到pH8，刺激酶的活性。 2光照時(shí)質(zhì)子泵入，同時(shí)伴隨著Cl-1和Mg2+的轉(zhuǎn)移。 Mg2+濃度的升高也刺激酶的催化活件。因?yàn)樵趬A性pH有利于氨甲酰的形成，由Mg2+濃度升高有利于與氨甲酰結(jié)合促進(jìn)催化作用。,3NADPH刺激暗反應(yīng)，光照光系統(tǒng)I時(shí)產(chǎn)生NADPH，可以使反應(yīng)加速。 4葉綠體中幾個(gè)酶可由于二硫鍵的還原而被活化。 還原物是硫氧還蛋白，它是一個(gè)分子量為12000的蛋白質(zhì)，含有相鄰的半胱氨酸殘基，可氧化成二硫鍵，又可被鐵氧還蛋白催化還原。 在光合作用中，這個(gè)蛋白有協(xié)調(diào)光和暗反應(yīng)的作用，它可使磷酸核

21、糖激酶活性升高100倍。 因此，雖然固定CO2是暗反應(yīng)，但是Rubisco的活性間接的受光刺激激活而被調(diào)控，暗反應(yīng)中其他的酶以及ATP合成酶也被光照葉綠體所推動(dòng)。,三、光呼吸 核糖二磷酸羧化酶還有一個(gè)催化O2與二磷酸核酮糖的反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物是3磷酸甘油酸和磷酸乙醇酸。 氧化反應(yīng)和羧化反應(yīng)在同一個(gè)活性位點(diǎn)，彼此競爭，在正常大氣條件下25的基質(zhì)中CO2為10umol，而O2為250 umol，但羧化反應(yīng)活性比氧化反應(yīng)活性高四倍。,3磷酸甘油酸參加糖的合成。磷酸乙醇酸可轉(zhuǎn)化成甘氨酸或在乙醇酸途徑中放出CO2。 植物消耗O2將二磷酸核酮糖轉(zhuǎn)化成CO2的過程稱光呼吸。在這過程中，沒有ATP或NADPH的生

22、成，因此是一個(gè)浪費(fèi)能量的過程。 O2可以抑制Rubisco固定CO2的活性，因?yàn)樗cCO2競爭活性位點(diǎn)，這是Rubisco酶不完美的地方，因此現(xiàn)在Rubisco的基因工程就是要改造基因，使其成為沒有光呼吸的酶。,四、四碳途徑(HatchS1ack途徑) 1966年澳大利亞植物生化學(xué)家MDHatch和CRSlack發(fā)現(xiàn)某些熱帶或亞熱帶起源的植物例如甘蔗在14CO2中進(jìn)行光合作用時(shí)，同位素14C首先標(biāo)記在蘋果酸、草酰乙酸、天冬氨酸上。 由于這類植物的光合作用最初產(chǎn)物是四碳二羧酸所以稱其為四碳植物。其代謝途徑為四碳途徑或HatchSlack途徑。 后來發(fā)現(xiàn)在玉米、高梁、其他禾本科、莎草科中的某些植物

23、也有這一途徑。,在上述植物中，有兩種葉綠體進(jìn)行兩類循環(huán)。在維管束稍細(xì)胞中的葉綠體，以三碳循環(huán)途徑固定二氧化碳，而在葉肉細(xì)胞中，主要進(jìn)行四碳循環(huán)。 維管束鞘細(xì)胞呼吸放出的CO2可以被葉肉細(xì)胞通過四碳途徑固定，因此這種植物的特征是利用CO2的效率特別高，其主要反應(yīng)是：反應(yīng)由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化。,葉肉細(xì)胞經(jīng)上述反應(yīng)生成的草酰乙酸被NADPH還原生成蘋果酸。,蘋果酸通過胞漿的胞間連絲從葉肉細(xì)胞轉(zhuǎn)移到維管束細(xì)胞中，在蘋果酸酶催化下脫羧生成丙酮酸和CO2。,CO2在維管束鞘細(xì)胞中，通過Rubisco進(jìn)入C3循環(huán)。 丙酮酸經(jīng)過胞間連絲又回到葉肉細(xì)胞中，在丙酮酸磷酸二激酶催化下，轉(zhuǎn)化成磷酸烯醇式丙酮酸

24、。,由上可見固定一分CO2，C3植物需3分子ATP，C4植物需增加2分子ATP，共需5分子ATP。 C4途徑的生物學(xué)意義：熱帶植物為了防止過多水分蒸發(fā)，常常關(guān)閉葉片上的氣孔。這樣使空氣中的CO2不易進(jìn)入維管束鞘細(xì)胞中，Rubisco不能保持其最大催化速度。 熱帶植物中磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶活性提高。對(duì)CO2有很高的親和力，使葉肉細(xì)胞有效的固定和濃縮CO2，以蘋果酸的形式轉(zhuǎn)移至維管束鞘細(xì)胞中，使Rubisco保持其最大催化活性。,因此，雖然C4植物固定一分子CO2消耗5分子ATP，但是其生長速度比C3植物快，每單位面積的生物量均大于C3植物。 C4植物幾乎測(cè)不出光呼吸，這是因?yàn)闅饪钻P(guān)閉不僅防止水

25、分子出去，也防止O2進(jìn)來，而且產(chǎn)生的CO2迅速被C4途徑利用，使維管束鞘細(xì)胞中CO2O2之比永遠(yuǎn)很高。 由于這種C4植物利用CO2能力高，在CO2濃度很低時(shí)，還可以固定CO2，這類植物積累干物質(zhì)速度很快，為高產(chǎn)型植物，對(duì)四碳二羧酸代謝途徑的研究，在農(nóng)業(yè)增產(chǎn)上很有價(jià)值。,第六節(jié) 糖的異生 糖的異生即形成“新”糖的意思，是指從非糖物質(zhì)合成葡萄糖的過程。 一、糖異生的證據(jù)及其生理意義 許多植物可以利用光合作用將CO2和H2O合成糖。 動(dòng)物缺乏這種能力，但是動(dòng)物可以將丙酮酸、甘油、乳酸及某些氨基酸等非糖物質(zhì)轉(zhuǎn)化成糖。,1糖異生的證據(jù)如下： (1)用整體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，禁食24小時(shí)，大鼠肝中糖原由7%降到1%

26、，再喂乳酸、丙酮酸或三羧酸代謝中間物時(shí)可以使動(dòng)物的肝糖原增加。 (2)根皮苷是一種從梨樹莖皮提取的有毒的糖苷，它能抑制腎小管重新吸收葡萄糖回到血液中。這樣血中的葡萄糖就不斷地由尿中排出。當(dāng)給根皮苷處理后的動(dòng)物喂三羧酸循環(huán)中間代謝物或生糖氨基酸時(shí)，這種動(dòng)物的尿中糖的含量增加。 (3)糖尿病人或切除胰島的動(dòng)物，從氨基酸轉(zhuǎn)化成糖的過程十分活躍。當(dāng)攝入生糖氨基酸時(shí)，尿中糖含量增加。,2糖異生的生理意義 (1)糖異生作用是一個(gè)十分重要的生物合成葡萄糖的途徑。 紅細(xì)胞和腦是以葡萄糖為主要燃料，成人每天約需160克葡萄糖，其中120克用于腦代謝，而糖原貯存僅數(shù)百克。 糖異生主要在肝臟中進(jìn)行，腎上腺皮質(zhì)中也有

27、，腦和肌肉中很少。因此在血中葡萄糖濃度降低時(shí)，首先是腦受到損傷。 (2)在饑餓、劇烈運(yùn)動(dòng)造成糖原下降后，糖異生使酵解產(chǎn)生的乳酸，脂肪分解產(chǎn)生的甘油及生糖氨基酸等中間產(chǎn)物重新生成糖。 這對(duì)維持血糖濃度，滿足組織對(duì)糖的需要是十分重要的。,二、糖異生的途徑 糖異生的選徑不是簡單的酵解途徑逆轉(zhuǎn)。 從丙酮酸到葡萄糖的代謝中有7步是共同的可逆步驟。 只有3步是不可逆步驟、它們由另一些酶催化的。 糖的異生有特殊的調(diào)控酶，需要ATP供給能量，以保證合成途徑的進(jìn)行。因?yàn)楸仨毧朔谋岬狡咸烟?個(gè)不可逆反應(yīng)中的能量障礙。,1丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸 (1)丙酮酸生成草酰乙酸 丙酮酸羧化酶使丙酮酸羧化成草酰乙酸

28、，人及哺乳動(dòng)物的丙酮酸羧化酶存在于肝或腎的線粒體中。 所以細(xì)胞液中的乳酸氧化生成丙酮酸后，要經(jīng)運(yùn)載系統(tǒng)進(jìn)入線粒體后才能羧化成草酰乙酸，后者是在線粒體中，而它又必須離開線粒體才能進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成磷酸烯醇式丙酮酸。 但草酰乙酸本身不能透過線粒體內(nèi)膜，所以轉(zhuǎn)變成蘋果酸，天冬氨酸等通過二羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)離開線粒體后再進(jìn)一步氧化恢復(fù)成草酰乙酸。,丙酮酸羧化酶的羧化作用需要ATP和二價(jià)離子，如Mg2，Mn2等參加。,此酶需要生物素為輔酶。 生物素在ATP供能情況下與CO2結(jié)合生成N1羧化生物素，然后轉(zhuǎn)移羧基給丙酮酸生成草酰乙酸。,羧化酶是由4個(gè)相同亞基組成的聚合體，分子量為500 000，每個(gè)亞基結(jié)合一個(gè)生物素。

29、 生物素與酶蛋白賴氨酸殘基上的氨基以酰胺鏈結(jié)合，形成一個(gè)擺臂，活性CO2結(jié)合在生物素上成為N1羧化生物素酶。,丙酮酸羧化酶是別構(gòu)酶，受乙酰CoA的調(diào)控，在缺乏乙酰CoA時(shí)沒有活性。脂酰CoA對(duì)此酶也有激活作用。細(xì)胞中ATPADP的比值升高促進(jìn)羧化作用。 此酶還催化三羧酸循環(huán)的回補(bǔ)反應(yīng)。草酰乙酸既是糖異生合成的中間物，又是三羧酸循環(huán)的中間物。高含量的乙酰CoA使草酰乙酸大量合成。 若細(xì)胞內(nèi)ATP含量高則三羧酸循環(huán)速度降低，糖異生作用加強(qiáng)。丙酮酸羧化酶聯(lián)系著三羧酸循環(huán)和糖的異生作用。,(2)草酰乙酸轉(zhuǎn)變成蘋果酸從線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)中。 線粒體中的草酰乙酸被線粒體中的蘋果酸脫氫酶催化形成蘋果酸才能穿

30、過線粒體轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)中，NADH是氫的供體。,蘋果酸通過線粒體膜的二羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)與其他二羧酸或磷酸鹽交換而離開線粒體。,雖然這是吸能反應(yīng)，但因?yàn)樽罱K產(chǎn)物不斷移去，使反應(yīng)向右進(jìn)行。,（3）細(xì)胞質(zhì)中的蘋果酸又被細(xì)胞質(zhì)中的蘋果酸脫氫酶再氧化形成草酰乙酸。NAD是受氫體。,（4）磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶催化草酰乙酸形成磷酸烯醇式丙酮酸，反應(yīng)需GTP供給磷酰基。,胰高血糖素，腎上腺素，糖皮質(zhì)激素可以調(diào)控增加此酶在肝中的含量。胰島素作用相反，可降低此酶的含量。,從丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸的反應(yīng)式是：,反應(yīng)的G00.84千焦耳摩爾，與丙酮酸激酶的催化反應(yīng)相比，后者G0是31.5千焦耳摩爾，所以，在熱力學(xué)上

31、，糖異生更易進(jìn)行。因?yàn)橐粋€(gè)丙酮酸分子消耗了ATP和GTP中的兩個(gè)高能磷酸鍵克服了能量障礙。 丙酮酸羧化激酶含有13個(gè)巰基，其中一對(duì)靠近活性中心，亞鐵激活劑可使Fe2+插入活性中心形成復(fù)合物，從而克服無機(jī)磷酸的抑制作用，增加酶的活性。,2磷酸烯醇式丙酮酸沿酵解途徑逆向反應(yīng)轉(zhuǎn)變成1，6二磷酸果糖。 31，6二磷酸果糖轉(zhuǎn)化成6磷酸果糖。 經(jīng)果糖二磷酸酶的催化使1，6二磷酸果糖的磷酸酯水解。 這是糖異生作用的關(guān)鍵反應(yīng)。 果糖磷酸酶是一個(gè)異構(gòu)酶，被其負(fù)效應(yīng)物AMP，2，6二磷酸果糖強(qiáng)烈抑制，但ATP、檸檬酸和3磷酸甘油酸可激活酶的活性。,46磷酸果糖至葡萄糖 6磷酸果糖經(jīng)酵解途徑逆向變成6磷酸葡萄糖。然

32、后在葡萄糖6磷酸酶的催化下水解成葡萄糖。 在肝的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上含有葡萄糖6磷酸酶可將葡萄糖運(yùn)輸?shù)窖腥?，但此酶不存在于腦或肌肉中，這些組織無上述功能。,從丙酮酸形成葡萄糖共消耗6個(gè)ATP的高能磷酸鍵，因?yàn)閺谋岬讲蒗Ｒ宜嵯囊粋€(gè)ATP，草酰乙酸到磷酸烯醇式丙酮酸消耗一個(gè)GTP ，從3磷酸甘油酸到1，3二磷酸甘油酸消耗一個(gè)ATP。 因此從二個(gè)分子丙酮酸合成一分子葡萄糖共消耗6個(gè)ATP。盡管整個(gè)反應(yīng)消耗能量，但是可以使反應(yīng)容易進(jìn)行。,糖異生的總反應(yīng)式為：,三、糖異生途徑的前體 1凡是能生成丙酮酸的物質(zhì)都可以變成葡萄糖。 例如三羧酸循環(huán)的中間物，檸檬酸、異檸檬酸、酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸和蘋果酸都可轉(zhuǎn)

33、變成草酰乙酸而進(jìn)入糖異生途徑。 值得注意的是在動(dòng)物體中乙酰CoA不能作為糖異生的前體，它不能轉(zhuǎn)化成丙酮酸，因?yàn)楸崦摎涿阜磻?yīng)是不可逆的。 2大多數(shù)氨基酸是生糖氨基酸(詳見氨基酸代謝一章)如丙氨酸、谷氫酸、天冬氨酸、絲氨酸、半胱氨酸、甘氨酸、精氨酸、組氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、谷胺酰胺、天冬酰胺、甲硫氨酸、纈氨酸等，它們可轉(zhuǎn)變成丙酮酸，酮戊二酸、草酰乙酸等三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物參加糖異生途徑。,3肌肉劇烈運(yùn)動(dòng)后產(chǎn)生大量乳酸，可以迅速穿過質(zhì)膜經(jīng)血液運(yùn)送至肝臟，乳酸氧化成丙酮酸參加糖異生途徑變成葡萄糖，再進(jìn)入血液運(yùn)送到肌肉中，這過程稱Cori循環(huán)。 盡管每分子葡萄糖在肌肉中酵解產(chǎn)生ATP的分子數(shù)比糖異生消

34、耗的ATP分子要少，這個(gè)循環(huán)是十分花費(fèi)能量的，但對(duì)于動(dòng)物在生存競爭中捕食和逃避敵害還是十分有意義的。 4反芻動(dòng)物糖異生途徑十分旺盛，牛胃細(xì)菌分解纖維素成為乙酸、丙酸、丁酸等，奇數(shù)脂肪酸可轉(zhuǎn)變?yōu)殓牾oA(詳見脂肪代謝一章)參加糖異生途徑合成葡萄糖。,第七節(jié) 糖原合成與分解 糖原是葡萄糖的貯存形式。 當(dāng)細(xì)胞中能量充足時(shí)，進(jìn)行糖原合成而貯存能量。 當(dāng)能量供應(yīng)不足時(shí)，糖原分解產(chǎn)生ATP，以保證不間斷地供應(yīng)生命活動(dòng)所需的能量。 糖原分解與合成的速度直接影響血糖的水平。 糖原的分解與合成是分別進(jìn)行的不同途徑。 它們的速度受激素、別構(gòu)酶的精細(xì)調(diào)節(jié)。,一、糖原分解代謝 糖原中大多數(shù)葡萄糖殘基是由1，4糖苷

35、鍵相連，在分枝點(diǎn)是由1，6糖苷鍵相連。每個(gè)分枝鏈大約含有10個(gè)葡萄糖殘基。 1糖原的降解是從糖原的非還原性末端葡萄糖殘基的 1，4糖苷鍵斷裂，生成1磷酸葡萄糖和少一個(gè)葡萄糖基的糖原分子。 反應(yīng)是由糖原磷酸化酶催化的磷酸解作用。,磷酸化酶有a、b兩種形式，磷酸化酶a是由分子量為97 000相同亞基組成的四聚體。磷酸化酶b是二聚體。 磷酸化酶b在磷酸化酶激酶作用下，分子中特殊的絲氨酸14被ATP磷酸化，變成有活性的磷酸化酶a。 這個(gè)共價(jià)修飾調(diào)控是可逆的，絲氨酸14上磷酸基可被特殊的磷酸酶水解成無活性的磷酸化酶b。 磷酸化酶b是別構(gòu)酶在有高濃度正效應(yīng)物AMP時(shí)，磷酸化酶b構(gòu)象發(fā)生變化，成為有活性的酶

36、。ATP則是酶的負(fù)效應(yīng)物，與AMP競爭。抑制磷酸化酶b的活性。6磷酸葡萄糖也是此酶的別構(gòu)抑制劑。,2去分枝酶催化糖原分枝點(diǎn)的1、6糖苷鍵斷裂。 磷酸化酶逐個(gè)磷酸解移去葡萄糖單位，直至靠近1，6糖苷鍵的分枝點(diǎn)的4個(gè)葡萄糖單位就不能繼續(xù)降解了。殘留的高度分枝的糖原分子稱極限糊精。 極限糊精上的糖鍵由轉(zhuǎn)移酶催化將3個(gè)糖殘基從某個(gè)糖鏈轉(zhuǎn)移到另一個(gè)4糖殘基的鏈上。 剩下一個(gè)糖殘基以1，6糖苷鏈與糖原連接則由去分枝酶即1，6糖苷酶水解，所剩下的糖殘基的線型糖鏈又可由磷酸化酶進(jìn)一步水解。 有趣的是轉(zhuǎn)移酶和去分枝酶是一個(gè)酶上的不同部分，在分子量為160 000的酶的多肽鏈上有兩個(gè)活性位點(diǎn)。,3GlP經(jīng)過1，6

37、二磷酸中間產(chǎn)物生成G6P。 此反應(yīng)是在磷酸葡萄糖變位酶的催化下完成的，此酶的活性中心有磷酸化絲氨酸。 在肝、腎及小腸中，G6P被葡萄糖6磷酸酶水解成葡萄糖，進(jìn)入血液循環(huán)。此酶位于平滑內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中，在肌肉和腦組織中沒有這種酶，可保留G6P作為產(chǎn)生ATP的燃料，肝并不利用葡萄糖為燃料，所以為其他組織提供葡萄糖。,二、糖原的合成代調(diào) 在體外使糖原分解的磷酸化酶可催化逆反應(yīng)合成糖原、但是體內(nèi)糖原合成卻另有途徑。 因?yàn)閷?shí)驗(yàn)證明，在中性pH條件下，糖原合成時(shí) PiGlP的比值為3.6，而在細(xì)胞中比例大100，因此在細(xì)胞中磷酸化酶的作用是使糖原降解，而且可增加磷酸化酶活性的激素，常常刺激糖原分解。同時(shí)發(fā)現(xiàn)缺乏

38、肌肉磷酸化酶的病人可以合成肌糖原。上述事實(shí)證明了糖原是由另一些酶來合成的。 1957年Luis Leloir及其同事指出糖原合成不是降解途徑逆轉(zhuǎn)。糖原合成中糖基的烘體是UDP而不是G1P。合成與分解采用不同選徑更易滿足代謝調(diào)節(jié)和反應(yīng)所需能量的要求。,1、G1P在UDP葡萄糖焦磷酸化酶催化下生成UDP葡萄糖。,此反應(yīng)是可逆的，可是由于焦磷酸極易被焦磷酸酶水解成正磷酸使反應(yīng)向右進(jìn)行。,2UDP葡萄糖在糖原合成酶催化下合成新糖原。 新的葡萄糖殘基加在糖原引物的非還原末端的葡萄糖殘基的第四碳的羥基上，形成1，4糖苷鍵。UDP被延長的糖原分子末端葡萄糖殘基上的C4上的羥基取代。,催化反應(yīng)中必須有一個(gè)4個(gè)

39、糖殘基以上的引物存在。糖原合成需要糖原起始合成酶及引發(fā)蛋白質(zhì)。,首先將UDP葡萄糖逐個(gè)與引發(fā)蛋白質(zhì)酪氨酸殘基苯酚上的氧原子作用，形成具有1，4糖苷鍵的蛋白質(zhì)引物。然后蛋白質(zhì)上的寡糖鍵在糖原合成酶及分枝酶作用下生成糖原。 糖原合成酶a上特殊絲氨酸可以磷酸化成為無活性的糖原合成酶b，又稱糖原合成酶D(依賴型)，即其活性依賴于變構(gòu)效應(yīng)物6磷酸葡萄糖的濃度。未磷酸化的糖原合成酶a不需6磷酸葡萄糖激活，故又稱糖原合成酶I (不依賴型)，見圖。,3合成具有1、6糖苷鍵的有分枝的糖原、反應(yīng)由分枝酶催化。 分枝酶從至少是11個(gè)殘基的糖鏈非還原末端將7個(gè)葡萄糖殘基轉(zhuǎn)移到較內(nèi)部的位置上去，形成具1，6糖苷鍵的新分枝鏈。 新形成的分枝必須與原有的糖鏈有4個(gè)糖殘基的距離。 有分枝的糖原有較多的末端分枝，可增加糖原分解或合成的速率，而且分枝使糖原的溶解度加大。,第十節(jié) 糖代謝的紊亂 由于糖代謝過程中某些酶的先天性缺陷，或由于其調(diào)節(jié)作用失常，導(dǎo)致糖代謝紊亂。 一、先天性糖代謝酶的缺陷病 1半乳糖血癥 當(dāng)先天性缺乏1磷