糖代谢

生物化学与分子生物学糖代谢思维导图，包含糖的生理功能：1.为生命活动提供碳源和能源、2.糖的中间产物可转变为其他的含碳化合物；糖的摄取与利用；糖的无氧氧化等。

糖代谢

• 糖的生理功能
  • 1.为生命活动提供碳源和能源
  • 2.糖的中间产物可转变为其他的含碳化合物
  • 3.糖参与形成糖蛋白和糖脂，调节细胞信息传递，参与构成细胞外基质等机体组织结构，形成NAD+、FAD、ATP等多种生物活性物质
• 糖的摄取与利用
  • 糖消化后以单体形式吸收
  • 细胞摄取葡萄糖需要转运蛋白
  • 体内糖代谢涉及分解、储存和合成三方面
    • 糖分解代谢主要途径
      • 糖的无氧氧化（糖酵解）
      • 糖的有氧氧化
      • 糖的磷酸戊糖途径
• 糖的无氧氧化
  • 概念：一分子葡糖糖经糖酵解反应裂解成两分子丙酮酸，在不能利用氧或氧供应不足时，丙酮酸进一步还原生成乳酸，并生成少量ATP，整个反应过程在胞质中完成
    • 丙酮酸生成乳酸®乳酸发酵
    • 丙酮酸生成酒精®酒精发酵
  • 反应部位：胞质
  • 两阶段
    • 第一阶段：糖酵解生成丙酮酸
      • 概念：一分子葡萄糖分解成两分子丙酮酸，是葡萄糖有氧氧化和无氧氧化的共同起始途径
      • 生成：2ATP、1NADH+H、2丙酮酸
    • 第二阶段：丙酮酸被还原成乳酸
      • 两分子丙酮酸还原为一分子乳酸，消耗一分子NADH+H
      • 生成：1乳酸
      • 酶：乳酸脱氢酶（LDH）
  • 产能方式：底物水平磷酸化
  • 关键酶
    • 己糖激酶
      • G®G-6-P
    • 磷酸果糖激酶-1
      • F-6-P®F-1,6-2P
    • 丙酮酸激酶
      • PEP®丙酮酸
  • 生理意义
    • 缺氧时不利用氧快速提供能量，对肌肉收缩更重要
    • 为某些特殊类型的细胞供能
      • 无线粒体的细胞，如成熟红细胞
      • 增殖活跃的细胞，如白细胞，骨髓细胞，神经细胞，视网膜，胃肠道，皮肤等
    • 产生的大量乳酸主要被肝利用进行糖异生
    • 为其它物质合成提供中间代谢物
• 糖的有氧氧化
  • 概念：在机体供氧充足时，机体利用氧将葡萄糖彻底氧化成CO2和H2O的反应过程，是体内分解供能的主要方式
  • 反应部位：胞质（第一阶段），线粒体（第二、三阶段）
  • 三阶段
    • 第一阶段：糖酵解生成丙酮酸
      • 概念：一分子葡萄糖分解成两分子丙酮酸，是葡萄糖有氧氧化和无氧氧化的共同起始途径
      • 生成：2ATP、1NADH+H、2丙酮酸
    • 第二阶段：丙酮酸氧化脱羧
      • 反应式：丙酮酸+NAD+HS-CoA¾®乙酰CoA+NADH+H+CO2
      • 生成：乙酰CoA、NADH+H、CO2
      • 酶：丙酮酸脱氢酶复合体
        • 三酶
          • 丙酮酸脱氢酶（E1)
          • 二氢硫辛酰胺转乙酰酶（E2)
          • 二氢硫辛酰胺脱氢酶（E3)
        • 五辅因子
          • VitB1：焦磷酸硫胺素（TPP）
          • VitB2：FAD
          • VitPP：NAD+
          • 泛酸：CoA
          • 硫辛酸
    • 第三阶段：三羧酸循环
      • 概念：指乙酰CoA和草酰乙酸缩合生成含三个羧基的柠檬酸，进行4次脱羧，2次脱氢，1次底物水平磷酸化反应，又生成草酰乙酸，再重复循环反应的过程。由于循环反应中的第一个中间产物是一个含三个羧基的柠檬酸，所以称为三羧酸循环（柠檬酸循环TCA），由于Krebs正式提出了三羧酸循环的学说，故此又称为Krebs循环
      • 生成：3NADH+H、1FADH2、2CO2、1ATP(GTP）
      • 关键酶
        • 柠檬酸合酶
          • 乙酰CoA+草酰乙酸¾®柠檬酸
        • 异柠檬酸脱氢酶
          • 异柠檬酸¾®a-酮戊二酸
        • a-酮戊二酸脱氢酶复合体
          • a-酮戊二酸¾® 琥珀酰CoA
      • 产能方式：氧化磷酸化
      • 生理意义
        • TCA是三大营养物质分解产能的共同通路：三大营养物质都产生CoA进入TCA
        • TCA是糖、脂肪、氨基酸代谢联系的枢纽：三大营养物质通过TCA在一定程度上相互转变
      • 脱羧生成的2个CO2来自草酰乙酸而不是乙酰CoA，每次循环草酰乙酸碳架被更新一半，含量无变化
  • 糖有氧氧化是分解供能的主要方式
    • 不同递氢体产能
      • NADH+H¾®2.5ATP
      • FADH2¾®1.5ATP
    • 不同路径产能
      • 1乙酰CoA¾（TCA）®10ATP
      • 1丙酮酸¾®12.5ATP
      • 1G¾® 30或32ATP
  • 糖的有氧氧化主要受能量供需平衡调节
    • 异柠檬酸脱氢酶和a-酮戊二酸脱氢酶复合体的活性调节更为重要
  • 糖氧化产能方式的选择有组织偏好：在有氧条件下，糖有氧氧化抑制糖酵解
• 磷酸戊糖途径
  • 概念： 是指从糖酵解的中间产物葡糖-6-磷酸开始形成旁路，通过氧化、基团转移两个阶段生成果糖-6-磷酸和3-磷酸甘油醛，从而返回糖酵解的代谢途径
  • 反应部位：胞质
  • 磷酸戊糖产生两种重要产物：NADPH和磷酸核糖
  • 两阶段
    • 第一阶段：氧化阶段
      • G¾®G-6-P¾®CO2、NADPH+H、磷酸核糖
      • 关键酶：葡糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）
      • 产物：1G产生1CO2、2NADPH+H、1磷酸核糖
      • 一分子G-6-P发生一次脱氢两次脱羧
    • 第二阶段：基团转移
      • 意义：第一阶段生成的NADPH和磷酸核糖可用作体内诸多合成代谢的原料，由于细胞对NADPH的需求量大得多，为避免磷酸核糖积累，多余的戊糖就会进入第二阶段，以便重新返回糖酵解途径而被再次利用
      • 磷酸核糖¾®3-P甘油醛、F-6-P
      • 产物：3分子磷酸核糖转变成2分子F-6-P和1分子3-磷酸甘油醛
  • 磷酸戊糖途径（G6PD活性）主要受NADPH供需调节
  • 磷酸戊糖途径是NADPH和磷酸核糖的主要来源
    • 满足特殊组织细胞的代谢需求
      • 脂质合成旺盛的组织：肝、脂肪组织、哺乳期乳腺
      • 增殖活跃的组织：骨髓、肿瘤、红细胞、损伤修补再生作用强烈的组织(心、肝）
    • 生理意义
      • 提供磷酸核糖参与核酸的生物合成
        • 人体内核糖不依赖食物摄取，而是通过磷酸戊糖途径生成
      • 提供NADPH作为供氢体参与多种代谢反应
        • NADPH是多种合成代谢的供氢体
          • 参与脂质合成，合成脂肪酸和胆固醇
        • NADPH参与羟化反应
          • 从胆固醇合成胆汁酸、类固醇激素
          • 参与肝脏生物转化相关的羟化反应，如杀菌反应
        • NADPH用于维持谷胱甘肽的还原性
• 血糖及其调节
  • 血糖：血中的葡萄糖
  • 血糖的来源和去路
    • 来源
      • 食物糖肠道吸收
      • 肾小球重吸收
      • 肝糖原分解
      • 非糖物质糖异生
    • 去路
      • 氧化分解成H2O、CO2
      • 糖原合成成肝、肌糖原
      • 磷酸戊糖途径等转变成其他糖
      • 脂类、氨基酸代谢成脂肪、氨基酸等
  • 血糖水平保持恒定
    • 是由于血糖的来源和去路保持动态平衡
  • 血糖稳态主要受激素调节
    • 降血糖
      • 胰岛素：降低血糖主要激素
        • 机制：使血糖去路增加，来源减弱
        • 由胰腺b细胞分泌
    • 升血糖
      • 胰高血糖素：升高血糖主要激素
        • 机制：使血糖来源增强，去路减弱
        • 由胰腺a细胞分泌
      • 糖皮质激素：肾上腺皮质激素的一种
      • 肾上腺素：强有力的升高血糖的激素
        • 机制：加速糖原分解
        • 为神经性血糖调节激素，主要在应激状态下发挥调节作用
  • 糖代谢障碍导致血糖水平异常
    • 葡萄糖耐量：正常人对摄入的葡萄糖有很强的耐受能力，当一次性食入大量葡萄糖后，血糖水平不会持续升高，也不会出现大的波动
    • 糖代谢障碍
      • 高血糖
      • 低血糖
      • 糖尿病
        • 特征
          • 持续性高血糖
          • 糖尿
• 糖异生
  • 概念：由非糖化合物（乳酸、甘油，生糖氨基酸等）转变为葡糖糖或糖原的过程
  • 合成部位：肝，肾细胞的胞质及线粒体
  • 人体内糖异生主要物质大多转变成丙酮酸进入糖异生
  • 三个限速步骤
    • 丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）
      • 丙酮酸¾®草酰乙酸
        • 关键酶：丙酮酸羧化酶（辅因子生物素）
          • 反应部位：线粒体
      • 草酰乙酸¾®PEP
        • 关键酶：磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶
          • 反应部位：线粒体、胞液
      • 反应消耗2ATP
    • 果糖-1,6-二磷酸水解为果糖-6-磷酸
      • F-1,6-2P¾®F-6-P
        • 关键酶：果糖二磷酸酶-1
    • 葡糖-6-磷酸水解为葡糖糖
      • G-6-P¾®G
        • 关键酶：葡糖-6-磷酸酶
  • 糖异生主要生理意义：维持血糖恒定
    • 维持血糖恒定是肝糖异生最重要的生理作用
      • 肝内糖异生主要原料
        • 饥饿时
          • 生糖氨基酸
          • 甘油
        • 运动时
          • 乳酸（肌糖原分解）
    • 糖异生是补充或恢复肝糖原储备的重要途径
      • 糖原合成的三碳途径：进食后相当一部分摄入葡萄糖在肝外细胞中先分解成丙酮酸、乳酸等三碳化合物，后者再进入肝细胞异生成糖
    • 肾糖异生增强有利于维持酸碱平衡
      • 长期饥饿时，肾糖异生增强：长期禁食导致酮体代谢旺盛，体液pH降低，促进肾小管PEP羧激酶合成，使糖异生增强
  • 肌收缩产生的乳酸在肝内糖异生形成乳酸循环
    • 乳酸循环（Cori）循环
      • 概念：肌收缩（尤其是供氧不足时）通过糖的无氧氧化生成乳酸，乳酸通过细胞膜弥散入血液后入肝，在肝内异生成葡萄糖，葡萄糖入血后又可被肌摄取，由此构成一个循环
    • 生理意义
      • 回收乳酸中的能量，避免乳酸损失
      • 避免乳酸堆积引起酸中毒
    • 乳酸循环是耗能的过程：2分子乳酸异生成1分子葡萄糖消耗6分子ATP
• 糖原的合成与分解
  • 糖原是葡萄糖的多聚体，是动物体内糖的储存形式，是可迅速动用的能量储备
  • 糖原结构
    • 葡萄糖单元以a-1,4糖苷键连成长链
    • 约11个葡萄糖单元处形成分支，分支处以a-1,6糖苷键连接，分支增加，溶解度增加
  • 糖原类型
    • 肝糖原：血糖的重要来源
    • 肌糖原：主要为肌收缩提供能量
  • 反应部位：肝、肌细胞质中
  • 糖原合成
    • G¾®Gn¾®Gn+1
    • 合成过程
      • • 1.糖原引物合成
          • 与糖原蛋白连接的八碳单位，a-1,4糖苷键
        • 2.葡萄糖活化
          • G¾®G-6-P¾®G-1-P(+UTP）¾®鸟苷二磷酸葡萄糖（UDPG)+焦磷酸（PPi）
            • UDPG是活性葡萄糖，在体内充当葡萄糖供体
            • 相关酶：己糖激酶、磷酸葡萄糖变位酶
        • 3.糖链延长
          • 糖原引物¾®糖原直连延伸¾®支链形成
            • 主链：（a-1,4糖苷键）糖原合酶
              • 糖原合酶合成a-1,4糖苷键
            • 支链：（a-1,6糖苷键）分支酶
              • 分支酶两种活性
                • 水解a-1,4糖苷键
                • 合成a-1,6糖苷键
              • 糖链延长到至少11个葡萄糖，分支酶转移6-7个葡萄糖形成支链
    • 糖原合成是耗能过程：糖原分子每延长1分子葡萄糖基，消耗2分子ATP
  • 糖原分解
    • 肝¾®G 肌¾®丙酮酸¾®乳酸
      • Gn¾®Gn-1+G-1-P¾®G-6-P
        • 主链：（a-1,4糖苷键）糖原磷酸化酶
          • 糖原磷酸化酶分解a-1,4糖苷键释放出葡糖-1-磷酸
        • 支链：（a-1,6糖苷键）脱支酶
          • 脱支酶两种活性
            • 水解a-1,6糖苷键
            • 转移酶活性（转移支链到主链）
    • 分解产物去路
      • 肝利用葡糖-6-磷酸生成葡萄糖补充血糖
        • 肝中特有G-6-P酶，将G-6-P¾®G
          • 调节血糖最重要的器官是肝
      • 肌糖原只能为肌收缩提供能量生成乳酸
        • 肌无G-6-P酶，G-6-P只能进行糖酵解
          • 肌糖原1葡萄糖基分解无氧氧化净生成3ATP
    • 糖原分解不消耗能量
  • 关键酶：糖原合酶、糖原磷酸化酶
• 将草酰乙酸运出线粒体有两种方式
  • 苹果酸途径：伴随着NADH从线粒体到胞质的转运
  • 天冬氨酸途径：无NADH的伴随转运
• 糖酵解与糖异生多数反应可逆，糖酵解中3个限速步骤不可逆，需要糖异生关键酶来催化
• 还原性谷胱甘肽是重要抗氧化剂，可保护一些含巯基蛋白免受氧化损害，可保护红细胞膜的完整性，葡糖-6-磷酸酶缺陷者不能经磷酸戊糖途径获得足够NADPH使谷胱甘肽保持还原性，是红细胞易破裂，发生溶血性黄疸，称蚕豆病