糖代谢

考研414统考之生物化学，糖是一类化学本质为多羟醛或多羟酮及其衍生物的有机化合物，糖代谢（carbohydrate metabolism）指葡萄糖(glucose，Glc)、糖原(glycogen，Gn)等在体内的一系列复杂的化学反应。

糖代谢

• 生物体内糖的种类、结构和性质
  • 功能（4点）
    • 生物体结构成分
    • 生物体主要能源物质
    • 在生物体内转变为其他物质
    • 细胞识别的信息分子
  • 种类
    • 单糖（三碳糖、四碳糖等）
      • 葡萄糖
        • 链式结构（D-葡萄糖）
        • 环状结构（α-葡萄糖）
      • 性质
        • 还原性
    • 寡糖（二糖）
      • 麦芽糖
        • α（1→4）糖苷键
          • 还原性
      • 蔗糖
        • β（1→4）糖苷键
          • 无还原性
      • 乳糖
        • β（1→4）α糖苷键
          • 还原性
    • 多糖
      • 同多糖
        • 淀粉（直链、支链）
        • 糖原
        • 纤维素
      • 杂多糖
        • 半纤维素
        • 果胶
        • 琼脂
    • 结合糖
      • 肽聚糖
      • 糖蛋白
      • 糖脂
• 单糖的分解与合成
  • 糖酵解（EMP）
    • 葡萄糖（1）降解为丙酮酸（2），产生少量ATP（2）
      • 不区分有氧无氧
    • 场所
      • 细胞质
    • 三个阶段（10步反应）
      • 己糖的磷酸化（1～3）
        • 磷酸己糖的裂解（4～5）
          • ATP和丙酮酸的生成（6～10）
      • 1、葡萄糖被己糖激酶磷酸化生成6-磷酸葡萄糖，不可逆反应
      • 2、磷酸己糖异构酶催化6-磷酸葡萄糖异构化生成6-磷酸果糖，可逆
      • 3、由磷酸果糖激酶催化6-磷酸果糖再次磷酸化生成1，6-二磷酸果糖，不可逆反应
        • 限速步骤
      • 4、由醛缩酶催化1，6-二磷酸果糖裂解成两分子磷酸丙糖--3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮
      • 5、磷酸丙糖异构酶催化磷酸二羟丙酮异构化，生成3-磷酸甘油醛
      • 6、3-磷酸甘油醛氧化为1，3-二磷酸甘油酸
        • 糖酵解中唯一一次氧化反应，反应中脱下的氢由NAD+接受，形成NADH
          • 3-磷酸甘油醛脱氢酶
            • 含巯基（-SH），碘乙酸、砷酸抑制
      • 7、磷酸甘油酸激酶催化1，3二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸
        • 糖酵解中首次通过底物直接氧化生成的ATP（底物水平磷酸化）
      • 8、磷酸甘油酸变位酶催化3-磷酸甘油酸C3上的磷酸基团转移到分子内的C2原子上，形成2-磷酸甘油酸
      • 9、烯醇化酶催化2-磷酸甘油酸脱去一分子的水，生成磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）
      • 10、丙酮酸激酶催化PEP上的磷酸基团转移到ADP生成ATP，同时PEP生成烯醇式丙酮酸，后者极不稳定，很容易自发转变为丙酮酸
        • 第二个底物水平磷酸化反应，不可逆
      • 三个不可逆反应（1、2、10）
        • 两个底物水平磷酸化反应（7、10）
          • 唯一一次氧化反应（6）
    • 反应式
      • 葡萄糖转化为丙酮酸的净反应
        • 葡萄糖+2ADP+2Pi+2NAD+→2丙酮酸+2ATP+2NADH+ 2H+ +2 H2O
    • ATP的产生量
      • 净产生2分子ATP
      • NADH去向&产生的ATP
        • 无氧，不产生
        • 有氧，进入电子传递链
          • 原核生物（细胞质膜）
            • 3分子ATP
          • 真核生物（线粒体内膜）
            • 苹果酸-天冬氨酸穿梭
              • NADH
                • 3分子ATP
            • 磷酸甘油穿梭
              • FADH2
                • 2分子ATP
      • 一分子葡萄糖，无氧产生2分子ATP，有氧原核产生8分子ATP（2+3×2），有氧真核，通过苹果酸-天冬氨酸穿梭产生8分子ATP（2+3×2），通过磷酸甘油穿梭产生6分子ATP（2+2×2）
    • 磷酸果糖激酶是关键酶
      • 别构酶→构象改变→活性改变
      • 别构抑制剂
        • ATP（也是底物）、柠檬酸
      • 别构激活剂
        • AMP、2，6-二磷酸果糖
    • 丙酮酸去向
      • 有氧
        • 继续氧化生成乙酰CoA，进入其他代谢途径
      • 无氧
        • 酒精发酵途径
          • 丙酮酸脱羧酶、乙醇脱氢酶
            • 乙醇
        • 乳酸发酵途径
          • 乳酸脱氢酶
            • 乳酸
      • 丙酮酸也可在丙酮酸羧化酶的作用下形成草酰乙酸，草酰乙酸而后进入葡萄糖异生途径生成葡萄糖
    • 生物学意义（3点）
      • 生物体中普遍存在，有氧无氧都能进行，是葡萄糖进行有氧或无氧分解的共同代谢途径
      • 生物体获得生命活动所需部分能量，对于厌氧生物或供氧不足的组织来说，糖酵解是糖分解主要形式，也是获得能量主要形式
      • 许多中间产物，可作为合成去他物质的原料
        • 如磷酸二羟丙酮→甘油，丙酮酸→丙氨酸，使糖酵解与蛋白质和脂质合成代谢联系起来
          • 糖酵解三步反应不可逆，其余皆可逆，为特定条件下葡萄糖的合成（糖异生）提供基本途径
  • 三羧酸循环（TCA循环、柠檬酸循环、Krebs循环）
    • 糖的有氧降解是丙酮酸在有氧条件下的彻底氧化分解
    • 场所
      • 线粒体
    • 两个阶段
      • 丙酮酸氧化为乙酰CoA
        • 乙酰CoA的乙酰基经过柠檬酸循环被彻底氧化为CO2和H2O，同时释放出大量能量
      • 丙酮酸氧化为乙酰CoA
        • 氧化脱羧，连接糖酵解和柠檬酸循环，在丙酮酸脱氢酶复合体的催化下，生成一分子CO2、一分子乙酰CoA、一分子NADH+H+
        • 丙酮酸脱氢酶复合体位于线粒体内膜上
          • 组成
            • 3种酶
              • 丙酮酸脱氢酶（E1）
              • 二氢硫辛酰胺转乙酰基酶（E2）
              • 二氢硫辛酰胺脱氢酶（E3）
            • 辅因子（6种）
              • 焦磷酸硫胺素（TPP）
              • 硫辛酸
              • FAD
              • NAD+
              • HS-CoA
              • Mg2+
      • 柠檬酸循环（8大步、10小步）
        • 1、草酰乙酸和乙酰CoA经柠檬酸合酶的催化生成柠檬酸，放出大量能量，不可逆反应
        • 2、柠檬酸异构化生成顺乌头酸，再水合生成异柠檬酸，催化这两个反应的酶都是顺乌头酸酶
        • 3、异柠檬酸氧化脱羧形成α-酮戊二酸
          • 第一次脱氢（氧化）、脱羧反应，产生一个CO2和NADH
            • 异柠檬酸脱氢酶
        • 4、α-酮戊二酸氧化脱羧形成琥珀酰CoA
          • 第二次氧化脱羧反应
            • α-酮戊二酸脱氢酶
        • 5、琥珀酰CoA产生高能磷酸键，生成琥珀酸
          • 唯一一步在底物水平发生磷酸化产生高能键的反应，反应是可逆的
            • 琥珀酰-CoA合成酶的命名源于其对逆向催化的功能
        • 6、琥珀酸脱氢生成延胡索酸，在琥珀酸脱氢酶催化下，琥珀酸脱氢生成延胡索酸，FAD接受氢还原成FADH2
          • 第三个氧化还原反应
        • 7、延胡索酸水合生成苹果酸
        • 8、苹果酸氧化生成草酰乙酸，苹果酸在苹果酸脱氢酶作用下氧化脱羧生成草酰乙酸
          • 第四个氧化还原反应
        • 四次氧化（3、4、6、8）
          • 产生NADH（3、4、8）
            • 产生FADH2（6）
              • 底物水平磷酸化（5）
    • 净反应式
      • 乙酰CoA+3NAD+ + FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3NADH+H+ + FADH2+GTP+CoASH
    • ATP产生量
      • 糖酵解
        • 原核
          • 8ATP
        • 真核
          • 苹果酸-天冬氨酸穿梭
            • 8ATP
          • 磷酸甘油穿梭
            • 6ATP
      • 丙酮酸→乙酰CoA
        • 一分子NADH
          • 3ATP
      • TCA循环 合计12ATP
        • 三分子NADH
          • 9ATP
        • 一分子FADH2
          • 2ATP
        • 底物水平磷酸化
          • 1GTP/ATP
      • 一分子乙酰CoA彻底氧化生成12分子ATP；从丙酮酸开始计算，生成15分子ATP；从葡萄糖开始计算，生成38分子ATP（加上糖酵解7分子ATP，一葡萄糖产生二分子丙酮酸）
    • 调控
      • 单向循环原因
        • 柠檬酸合成、α-酮戊二酸的合成以及α-酮戊二酸氧化脱羧3步反应不可逆
      • 丙酮酸脱氢酶复合体的调控
        • 丙酮酸脱氢酶调节
          • 磷酸化（失活）和脱磷酸化（活性）的共价修饰调节
        • 二氢硫辛酰乙酰转移酶、二氢硫辛酰脱氢酶
          • 受产物乙酰CoA、NADH抑制
      • 循环主要调控酶及相关调控因素
        • 柠檬酸合酶
          • 草酰乙酸+乙酰CoA→柠檬酸
            • 促进：ADP
              • 抑制：琥珀酰CoA、柠檬酸
        • 异柠檬酸脱氢酶
          • 异柠檬酸→α-酮戊二酸
            • 促进：Ca2+、ADP
              • 抑制：ATP
        • α-酮戊二酸脱氢酶
          • α-酮戊二酸→琥珀酰CoA
            • 促进：Ca2+
              • 抑制：NADH、琥珀酰CoA
    • 特点（5点）
      • 乙酰CoA以2个碳原子形式进入循环，以CO2的形式离开循环，相当于乙酰CoA的2个碳原子被氧化成CO2
      • 共有4步脱氢步骤，生成3分子NADH和H+
      • 由琥珀酰CoA形成琥珀酸时，发生底物水平磷酸化反应生成GTP（植物为ATP）
      • 消耗2分子水，一分子用于合成异柠檬酸，另一分子用于延胡索酸加水
      • 分子氧不直接参与柠檬酸循环，但NAD+和FAD再生需氧，因此柠檬酸循环是严格需氧
    • 生物学意义（2点）
      • 可以释放大量能量，是提供生物体能量的主要代谢途径
      • 循环的众多中间产物是联系氨基酸、核苷酸、脂肪代谢的桥梁，是物质代谢的最终途径
        • 中间产物：草酰乙酸、异柠檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、苹果酸
        • 如：草酰乙酸、α-酮戊二酸通过进一步转氨基直接形成天冬氨酸和谷氨酸，联系糖代谢与氨基酸代谢
    • 回补反应
      • 丙酮酸羧化酶
        • 丙酮酸+HCO3-+ATP←→草酰乙酸+ADP+Pi
          • 肝、肾
      • 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶
        • 磷酸烯醇式丙酮酸+CO2+GDP←→草酰乙酸+GTP
          • 心、骨骼肌
      • 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
        • 磷酸烯醇式丙酮酸+HCO3-←→草酰乙酸+Pi
          • 高等植物、酵母、细菌
      • 苹果酸酶
        • 丙酮酸+HCO3-+NAD（P）H←→苹果酸+NAD（P）+
    • 乙醛酸途径（柠檬酸循环一个旁路）
      • 异柠檬酸裂解酶催化下，异柠檬酸裂解为二碳分子乙醛酸和四碳分子琥珀酸
      • 苹果酸合酶作用下，乙醛酸和乙酰CoA合成苹果酸
      • 意义
        • 由于苹果酸、琥珀酸通过柠檬酸循环转化为草酰乙酸，而草酰乙酸可沿糖异生途径生成葡萄糖，因此乙醛酸循环实现了从乙酰CoA到糖的转变，为脂肪酸降解产生的乙酰CoA的分解代谢提供了一条新的代谢途径
  • 磷酸戊糖途径（PPP）
    • 葡萄糖氧化途径之一，又称磷酸己糖支路/戊糖磷酸循环，分氧化和非氧化阶段
    • 场所：细胞质
    • 氧化阶段
      • 6-磷酸葡萄糖脱氢酶催化6-磷酸葡萄糖脱氢生成6-磷酸葡萄糖内酯和一分子NADPH
        • 主要调控步骤
      • 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶催化6-磷酸葡萄糖酸脱氢生成5-磷酸核酮糖（PRPP）和一分子NADPH
    • 意义（3点）
      • 产生高还原力物质NADPH
      • 为核苷酸等生物合成提供原料
      • 与糖的其他代谢途径相联系
  • 糖异生
    • 非糖物质合成葡萄糖（此处主要为丙酮酸合成葡萄糖）
    • 场所（真核）：部分线粒体，部分细胞质
    • 特殊反应（4步）：（其余可逆步骤同糖酵解）
      • 6-磷酸葡萄糖 -- 葡萄糖-6-磷酸酶 -→ 葡萄糖
      • 1，6-二磷酸果糖 -- 果糖-1，6-二磷酸酶 -→ 6-磷酸果糖
      • 丙酮酸+HCO3-+ATP -- 丙酮酸羧化酶 -→草酰乙酸+ADP+Pi
      • 草酰乙酸+ATP/GTP --磷酸烯醇式丙酮酸+ADP/GTP+Pi
    • 常见可进行葡萄糖异生作用非糖物质进入途径
      • 甘油→磷酸二羟丙酮
      • 乳酸、丙氨酸→丙酮酸
      • 乙酸→乙酰CoA→草酰乙酸
      • 天冬氨酸→草酰乙酸
      • 丙酸→琥珀酰CoA→草酰乙酸
• 多糖的分解和合成
  • 糖原的分解和合成
    • 分解
      • 糖原磷酸化酶（关键酶）催化非还原端阿尔法-1，4-糖苷键的磷酸解（距离含有α-1，6-糖苷键的葡萄糖残基还有4个葡萄糖残基时候停止）
      • 糖原脱支酶
        • 4-α-葡萄糖苷转移酶活性
          • 催化支链上3个葡萄糖残基转移到主链非还原端（新α-1，4-糖苷键形成）
        • 淀粉-1，6-糖苷酶活性
          • 切除只含一个葡萄糖残基的α-1，6-糖苷键
            • 去除支链
    • 合成（支链多、短）
      • 原料
        • 葡萄糖（提供者：UDPG--由焦磷酸化酶催化1-磷酸葡萄糖与UTP生成）
      • 酶
        • 糖原合酶（关键酶）
    • 调控
      • 糖原磷酸化酶
        • -OH（去磷酸化）（活性）
          • -P（磷酸化）（非活性）
      • 糖原合酶
        • -P（磷酸化）（活性）
          • -OH（去磷酸化）（非活性）
      • 即同时磷酸化或去磷酸化
  • 淀粉的分解和合成
    • 分解
      • 水解
        • 产物
          • 葡萄糖
        • α淀粉酶
          • 内切酶
            • 作用于内部α-1，4-糖苷键
        • β淀粉酶
          • 外切酶
            • 作用于非还原端得到麦芽二糖们，不可约过α-1，6-糖苷键
        • 脱支酶
          • 水解α-1，6-糖苷键
          • 麦芽糖酶
            • 水解麦芽糖
      • 磷酸解
        • 产物
          • 1-磷酸葡萄糖
        • 淀粉磷酸化酶
          • 作用于非还原端
            • 直链淀粉
              • 逐个水解α-1，4-糖苷键
        • 淀粉磷酸化酶、转移酶、α-1，6-糖苷酶
          • 支链淀粉
    • 合成
      • 原料
        • 葡萄糖
      • 酶
        • ADPG焦磷酸化酶
          • 作用于ATP与1-磷酸葡萄糖形成ADPG（关键酶）