生物化学004糖代谢

生物化学与分子生物学，重点掌握 ①糖的分解代谢：糖酵解和无氧氧化的基本途径、关键酶和生理意义，糖有氧氧化的基本途径、关键酶和生理意义。三羧酸循环的生理意义。 ②磷酸戊糖途径：关键酶和重要的产物，生理意义。 ③糖原的合成与分解：肝糖原的合成，肝糖原的分解。 ④糖异生：基本途径和关键酶，生理意义，乳酸循环。 ⑤血糖及其调节：血糖浓度，激素的调节作用（胰岛素、胰高血糖素、糖皮质激素）。

生物化学004糖代谢

• 重点掌握
  • ①糖的分解代谢：糖酵解和无氧氧化的基本途径、关键酶和生理意义，糖有氧氧化的基本途径、关键酶和生理意义。三羧酸循环的生理意义。
  • ②磷酸戊糖途径：关键酶和重要的产物，生理意义。
  • ③糖原的合成与分解：肝糖原的合成，肝糖原的分解。
  • ④糖异生：基本途径和关键酶，生理意义，乳酸循环。
  • ⑤血糖及其调节：血糖浓度，激素的调节作用（胰岛素、胰高血糖素、糖皮质激素）。
• 一、糖的分解代谢
  • 1．糖无氧酵解和有氧氧化的区别
  • 2．糖酵解（糖的无氧氧化）
    • 在缺氧状态下，葡萄糖生成乳酸的过程称为糖酵解。
    • 糖酵解的全部反应过程均在细胞质中进行。
    • （1）糖酵解的基本途径
      • 糖酵解分为两个阶段。
      • 第一阶段（葡萄糖分解为丙酮酸）
        • 即葡萄糖→葡糖-6-磷酸⇌果糖-6-磷酸→果糖-1,6-二磷酸⇌磷酸二羟丙酮⇌3-磷酸甘油醛⇌1,3-二磷酸甘油酸⇌磷酸甘油酸⇌2-磷酸甘油酸⇌磷酸烯醇式丙酮酸→丙酮酸。
        • ①葡萄糖磷酸化为葡糖-6-磷酸
          • 催化此反应的酶是己糖激酶（肝内为葡糖激酶），由ATP提供磷酸根和能量，此反应为不可逆反应。
        • ②葡糖-6-磷酸转变为果糖-6-磷酸
          • 此反应为可逆反应。
        • ③果糖-6-磷酸转变为果糖-1,6-二磷酸
          • 由磷酸果糖激酶-1催化，需要消耗ATP，为不可逆反应。
        • ④6碳的果糖-1,6-二磷酸裂解为3碳的磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛
          • 后两者可互变，此反应可逆。
        • ⑤3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸
          • 此反应由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化，以NAD+为辅酶接受氢和电子，生成1分子NADH＋H+和含1个高能磷酸键的1,3-二磷酸甘油酸。
        • ⑥1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸
          • 生成1分子ATP，这是糖酵解过程中第一次产生ATP的反应，此为底物水平磷酸化作用。
          • 此反应可逆，逆反应则需消耗1分子ATP。
        • ⑦3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸
          • 由变位酶催化，此反应可逆。
        • ⑧2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸
          • 此反应可逆。
        • ⑨磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸
          • 由丙酮酸激酶催化，有ATP生成，此反应不可逆。
      • 第二阶段（丙酮酸还原生成乳酸）
        • ⑩丙酮酸还原生成乳酸
          • 此反应由乳酸脱氢酶催化，所需的氢原子由第⑤步反应所产生的NADH＋H＋提供。
          • 3-磷酸甘油醛脱氢产生的NADH＋H+，在缺氧的情况下，用于还原丙酮酸生成乳酸；
          • 在有氧的情况下，进入线粒体氧化供能。
        • 注意：
          • ①糖酵解途径是指从葡萄糖→丙酮酸的过程，因此糖酵解途径的代谢产物是丙酮酸。
          • ②糖酵解过程是指从葡萄糖→乳酸的过程，因此糖酵解过程的代谢产物是乳酸。
    • （2）调节糖酵解的关键酶
      • 调节糖酵解的关键酶有3个，即己糖激酶、磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶。
      • ①己糖激酶
        • 是糖酵解的第1个关键酶，已发现有4种同工酶（I～IV型）。
        • 肝细胞中存在的是IV型，称葡萄糖激酶，它对葡萄糖的亲和力很低，Km为10mmol／L左右，而脑己糖激酶的Km为0.1mmol／L左右。
        • 由于Km为酶的特征性常数，且与亲和力成反比，故脑细胞对葡萄糖的亲和力很高，即使血糖浓度很低时，脑细胞仍可以摄取葡萄糖供能，而肝细胞却不能，这样可保证脑组织在饥饿状态下的能量供给。
      • ②磷酸果糖激酶-1
        • 对调节糖酵解的流量最重要。
      • ③丙酮酸激酶
        • 是糖酵解的第二个重要调节点。
    • （3）糖酵解的生理意义
      • ①最重要的生理意义在于迅速提供能量，这对于肌收缩尤为重要。
      • ②糖酵解是红细胞供能的唯一方式。红细胞没有线粒体，不能进行糖有氧氧化，只能依赖糖酵解供能。
      • ③神经细胞、白细胞、骨髓细胞等代谢极为活跃，即使不缺氧，也常由糖酵解提供部分能量。
  • 3．糖有氧氧化
    • 葡萄糖在有氧条件下彻底氧化为CO2和水的反应过程，称为糖的有氧氧化。
    • （1）基本途径
      • 糖有氧氧化分为三个阶段。
      • 第一阶段
        • 葡萄糖在胞质中循糖酵解途径分解为丙酮酸（同糖无氧氧化的第一阶段）。
      • 第二阶段
        • 丙酮酸由胞质进入线粒体，氧化脱羧生成乙酰CoA，此反应由丙酮酸脱氢酶复合体催化。
      • 第三阶段
        • 在线粒体内，乙酰CoA进入柠檬酸循环被彻底氧化。
        • 此循环以乙酰CoA和草酰乙酸缩合成含有三个羧基的柠檬酸开始，故称为柠檬酸循环（也称为三羧酸循环），其反应过程如下：
        • ①乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸
          • 此反应由柠檬酸合酶催化，为不可逆反应。
        • ②柠檬酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸
          • 此反应可逆。
        • ③异柠檬酸氧化脱羧转变为α-酮戊二酸
          • 此反应不可逆，由异柠檬酸脱氢酶催化。
        • ④α-酮戊二酸脱羧转变为琥珀酰CoA
          • 此反应不可逆，由α-酮戊二酸脱氢酶复合体催化。
        • ⑤琥珀酰CoA转变为琥珀酸
          • 此反应可逆，由琥珀酰CoA合成酶催化，经底物水平磷酸化生成GTP或ATP，是柠檬酸循环中唯一直接生成高能磷酸键的反应。
        • ⑥琥珀酸脱氢生成延胡索酸
          • 由琥珀酸脱氢酶催化，辅酶是FAD，此反应可逆。
        • ⑦延胡索酸加水生成苹果酸
          • 由延胡索酸酶催化，此反应可逆。
        • ⑧苹果酸脱氢生成草酰乙酸
          • 由苹果酸脱氢酶催化，此反应可逆。
        • 三羧酸循环
        • 现将柠檬酸循环的常考点归纳如下。
    • （2）糖有氧氧化的关键酶
      • 共7个：已糖激酶、6-磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶、丙酮酸脱氢酶复合体、柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体。
      • 其中，柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合体为三羧酸循环的关键酶。
    • （3）糖有氧氧化的生理意义
      • ①提供能量
        • 为机体的生理活动提供能量。糖在有氧条件下彻底氧化释放的能量远多于糖的无氧氧化。
        • 在正常生理条件下，体内大多数组织细胞都要通过此途径获得能量。
        • 1mol葡萄糖在体内经有氧氧化彻底分解，可净生成30或32mol ATP。
      • ②中间产物
        • 糖有氧氧化途径中许多中间代谢产物是体内合成其他物质的原料，故糖有氧氧化与其他物质的代谢密切联系。
      • ③代谢联系
        • 糖有氧氧化途径与糖的其他代谢途径也有密切联系，如糖酵解、磷酸戊糖途径、糖醛酸、果糖、半乳糖的代谢等。
  • 4．三羧酸循环的生理意义
    • ①三羧酸循环是糖、脂肪、蛋白质三大物质最终氧化的共同途径。
    • ②三羧酸循环是糖、脂肪、某些氨基酸代谢联系和互变的枢纽。
    • ③三羧酸循环是体内产生CO2和能量的主要机制之一。
• 二、磷酸戊糖途径
  • 1．关键酶
    • 磷酸戊糖途径的反应主要在胞质中进行，其反应步骤为：
    • 总反应式为3xG-6-P+6NADP+→2xF-6-P+3-磷酸甘油醛＋+6NADPH+6H++3CO2。
    • 关键酶为葡糖-6-磷酸脱氢酶，主要受NADPH／NADP＋的调节（即代谢产物的负反馈调节）。
  • 2．重要产物
    • 重要中间代谢产物包括3C、4C、5C、6C、7C糖，果糖-6-磷酸、3-磷酸甘油醛，核糖-5-磷酸，NADPH等。
  • 3．生理意义
    • （1）为核酸的生物合成提供核糖 磷酸戊糖途径产生的核糖-5-磷酸可参与核苷酸的合成。
    • （2）提供NADPH作为供氢体参与多种代谢反应
      • ①NADPH是体内许多合成代谢的供氢体
        • 如乙酰CoA合成脂酸、胆固醇；合成非必需氨基酸。
      • ②NADPH参与体内的羟化反应
        • 如从鲨烯合成胆固醇，从胆固醇合成胆汁酸、类固醇激素等。
      • ③NADPH用于维持谷胱甘肽的还原状态
        • 还原型谷胱甘肽是体内重要的抗氧化剂，可以保护含巯基的蛋白质或酶免受氧化剂（尤其过氧化物）的损害。
        • 对红细胞而言，还原型谷胱甘肽的作用更为重要，可保护红细胞膜的完整性。
        • 我国南方地区有些人群的红细胞内缺乏葡糖-6-磷酸脱氢酶，不能经磷酸戊糖途径得到充足的NADPH，难以使谷胱甘肽保持还原状态，因而表现为红细胞易于破裂，发生溶血性黄疸。
        • 这种溶血现象常在食用蚕豆（强氧化剂）后出现，故称为蚕豆病。
• 三、糖原合成与分解
  • 糖原是体内糖的储存形式。
  • 肝和肌是储存糖原的主要组织器官，但肝糖原和肌糖原的生理意义有很大不同。
  • 肌糖原主要供肌收缩的急需；肝糖原则是血糖的重要来源。
  • 1．肝糖原合成
    • （1）合成过程
      • 由葡萄糖合成糖原的过程称为糖原合成。
      • 进入肝的葡萄糖先在葡萄糖激酶的作用下磷酸化为葡糖-6-磷酸，再转变为葡糖-1-磷酸。
      • 葡糖-1-磷酸与尿苷三磷酸（UTP）反应生成尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）。
      • 在糖原合酶作用下，UDPG的葡萄糖基转移到糖原引物上形成糖苷键，使原来的糖原增加1个葡萄糖单位。
      • 上述反应重复进行，可使糖链不断延长。
    • （2）关键酶
      • 糖原合成的关键酶为糖原合酶，此外还需要分支酶的参与。
      • 糖原合成（黑色所示）和糖原分解（绿色所示）
  • 2．肝糖原分解
    • 糖原分解一般指肝糖原分解为葡萄糖。
    • （1）分解过程
      • 在糖原磷酸化酶作用下，从糖原分子上分解下1个葡萄糖基，生成葡糖-1-磷酸。
      • 葡糖-1-磷酸再转变为葡糖-6-磷酸。
      • 经葡糖-6-磷酸酶催化，葡糖-6-磷酸水解成葡萄糖释放入血。
    • （2）关键酶
      • 糖原分解的关键酶是糖原磷酸化酶。
    • （3）肌糖原不能补充血糖
      • 由于葡糖-6-磷酸酶只存在于肝肾组织，不存在于肌肉中，因此肝肾糖原可以补充血糖，但肌糖原不能分解为葡萄糖，只能进行糖酵解或有氧氧化。
  • 3．肝糖原的合成和分解比较
• 四、糖异生
  • 从非糖化合物转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖异生。
  • 糖异生原料为乳酸、甘油、生糖氨基酸。
  • 1．糖异生的关键酶
    • 糖异生途径基本上是糖酵解的逆反应过程。
    • 糖酵解途径中大多数反应都是可逆的，但由三个关键酶催化的反应是不可逆的。
    • 因此必须通过其他酶的催化，才能越过这三个不可逆反应进行糖异生。
    • （1）丙酮酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸
      • 反应由两步反应组成，分别由丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化。
      • 乳酸、丙氨酸及柠檬酸循环的中间产物在进行糖异生时，都需要通过这条通路。
    • （2）果糖-1,6-二磷酸转变为果糖-6-磷酸
      • 此反应由果糖二磷酸酶-1催化，从而越过了糖酵解中由磷酸果糖激酶催化的第二个不可逆反应。
    • （3）葡糖-6-磷酸水解为葡萄糖
      • 此反应由葡糖-6-磷酸酶催化，从而越过了糖酵解中由己糖激酶催化的第一个不可逆反应。
      • 由此可见，参与糖异生反应的关键酶有4个，即丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶、果糖二磷酸酶-1和葡糖-6-磷酸酶，其中以丙酮酸羧化酶最重要。
  • 2．糖异生的基本途径
    • 糖异生的基本途径如下图。
    • 下图中，甘油、乳酸、丙酮酸、生糖氨基酸等为糖异生的原料。
  • 3．糖异生的生理意义
    • ①维持血糖浓度的恒定是糖异生最主要的生理作用；
    • ②糖异生是补充或恢复肝糖原储备的重要途径；
    • ③肾脏糖异生增强有利于维持酸碱平衡。
  • 4．乳酸循环
    • （1）循环过程
      • 肌肉收缩（尤其氧供应不足时）通过糖无氧氧化生成乳酸，乳酸透过细胞膜弥散入血液后，再入肝异生为葡萄糖。
      • 葡萄糖释放入血液后又可被肌摄取，由此构成一个循环，称为乳酸循环，也称Cori循环。
      • 乳酸循环的形成取决于肝和肌组织中酶的特点：
      • 在肝组织，糖异生活跃，因葡糖-6-磷酸酶活性高，能水解葡糖-6-磷酸，释放葡萄糖。
      • 而在肌内，因无葡糖-6-磷酸酶，因此肌内乳酸不能异生为糖。
    • （2）生理意义
      • ①既能回收乳酸中的能量，又可避免乳酸堆积而引起酸中毒；
      • ②乳酸循环是耗能过程，2分子乳酸异生成葡萄糖，消耗6ATP。
    • 乳酸循环
• 五、血糖及其调节
  • 1．血糖浓度
    • 血糖是指血中的葡萄糖，正常维持在3.9～6.0mmol／L，这是血糖来源与去路保持动态平衡的结果。
    • （1）血糖的来源
      • ①饱餐后，食物消化吸收提供的血糖；
      • ②短期饥饿时，肝糖原分解补充血糖；
      • ③长期饥饿时，非糖物质通过糖异生补充血糖；
      • ④其他单糖（如果糖、半乳糖）可转变为葡萄糖，以补充血糖。
    • （2）血糖的去路
      • ①有氧氧化分解供能，这是血糖的主要去路；
      • ②合成肝糖原和肌糖原储备；
      • ③转变为非糖物质，如脂肪、氨基酸、多种有机酸等；
      • ④转变为其他糖及衍生物，如核糖、脱氧核糖、唾液酸、氨基糖等；
      • ⑤当血糖浓度过高，超过肾糖阈时，葡萄糖可从尿中排出，出现尿糖。
  • 2．血糖水平的调节
    • 血糖水平受激素调节，胰岛素是体内唯一降低血糖的激素，胰高血糖素是体内升高血糖的主要激素。
    • （1）胰岛素
      • ①促进肌、脂肪细胞通过葡萄糖转运蛋白摄取葡萄糖；
      • ②通过激活糖原合酶而加速糖原合成，通过抑制磷酸化酶而抑制糖原分解；
      • ③通过激活丙酮酸脱氢酶，而加快糖的有氧氧化；
      • ④抑制肝内糖异生；
      • ⑤通过抑制脂肪组织内的激素敏感性脂肪酶（HSL），减少脂肪动员而以葡萄糖分解来获取能量。
    • （2）胰高血糖素
      • ①抑制糖原合酶，加速肝糖原分解；
      • ②抑制糖酵解，促进糖异生；
      • ③激活脂肪组织内的激素敏感性脂肪酶（HSL），以脂肪分解供能而节约血中的葡萄糖。
    • （3）糖皮质激素
      • ①促进肌蛋白分解使糖异生原料增多，从而加速糖异生；
      • ②通过抑制丙酮酸氧化脱羧，阻止体内葡萄糖的分解利用；
      • ③协同增强其他激素促进脂肪动员的效应，促进机体利用脂肪酸供能。
  • 附：糖代谢全图（包括糖酵解、有氧氧化、糖原合成与分解、糖异生、磷酸戊糖途径）
  • 请对照上图，熟练掌握糖代谢的各反应途径、关键酶及其调节（绿色字为关键酶）：
  • （1）糖酵解
    • 葡萄糖-①-②-③-④-⑤-⑥-⑦-⑧-⑨-⑩-⑪-乳酸。
  • （2）葡萄糖有氧氧化
    • 葡萄糖-①-②-③-④-⑤-⑥-⑦-⑧-⑨-⑩-丙酮酸一乙酰CoA一三羧酸循环。
  • （3）糖原分解
    • 糖原-⑫-G-1-P-⑬-G-6-P。
  • （4）糖原合成
    • 葡萄糖-①-G-6-P-⑬-G-1-P-⑲-UDP葡萄糖-⑳-糖原
  • （5）糖异生
    • 糖异生的3个能障，就是糖酵解的3个关键酶催化的不可逆反应：
    • 即反应①、③、⑩，因此糖异生的途径大致就是绕过3个能障后的糖酵解逆反应：
    • 丙酮酸-⑯-草酰乙酸-⑰-磷酸烯醇式丙酮酸-⑨-⑧-⑦-⑥-⑤-④-F-1,6-BP-⑮-F-6-P-②-G-6-P-⑭-葡萄糖。
  • （6）磷酸戊糖途径
    • G-6-P---I---J--K、L--C3、C7-F-6-P、C4-B、K。
    • 其中产生的F6P和3-磷酸甘油醛进入糖酵解途径，产生的NADPH可为机体提供大量氢。
    • 磷酸戊糖途径的总反应式为：3xG-6-P+6NADP+→2xF-6-P+3-磷酸甘油醛+6NADPH+6H++3CO2
• 生物化学 004 糖代谢