第四章糖代謝 溫州醫(yī)學(xué)院生化教研室李春洋 677249 糖是一類化學(xué)本質(zhì)為多羥醛或多羥酮及其衍生物的有機化合物 糖在生命過程中的主要作用是提供碳源和能源 人體所需能量的50 70 來自于糖 食物中的糖類主要是淀粉 體內(nèi)的主要以葡萄糖和糖原兩種形式存在 糖與一些非糖物質(zhì)結(jié)合成復(fù)合物成為體內(nèi)一些具有重要的生理功能的物質(zhì) 如 糖蛋白 糖脂 蛋白聚糖 核糖 脫氧核糖 等 葡萄糖在體內(nèi)轉(zhuǎn)變成多種非糖物質(zhì) 一些非糖物質(zhì)又可以轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟?第一節(jié)糖的消化吸收及轉(zhuǎn)運 糖的主要生理功能是氧化供能糖的消化吸收主要在小腸進行糖代謝的概況 植物淀粉 異麥芽糖 麥芽糖 麥芽三糖 臨界糊精 動物糖原 蔗糖 乳糖 食物 葡萄糖 半乳糖 葡萄糖 果糖 第二節(jié)糖的無氧氧化 在機體缺氧條件下 葡萄糖經(jīng)一系列酶促反應(yīng)生成丙酮酸進而還原生成乳酸的過程稱為糖酵解亦稱為糖的無氧氧化 這個代謝過程常見于運動時的骨骼肌 與某些植物和微生物的乙醇發(fā)酵 葡萄糖分解產(chǎn)生的丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐掖己投趸?的過程非常相似 糖酵解的代謝反應(yīng)中由葡萄糖分解成丙酮酸的過程 又稱為糖酵解途徑 是糖的有氧氧化和無氧氧化共有的過程 其全部反應(yīng)均在胞漿中進行 一 反應(yīng)過程 第一階段 糖酵解途徑 1分子葡萄糖分解成2分子丙酮酸 第二階段 乳酸生成 丙酮酸還原成乳酸 己糖激酶 ATP ADP Mg2 6 磷酸果糖激酶 1 ATP ADP Mg2 磷酸己糖異構(gòu)酶 磷酸丙糖異構(gòu)酶 NAD NADH H Pi ADP ATP H2O 烯醇化酶 Mg2 K ATP ADP 丙酮酸激酶 3 磷酸甘油醛脫氫酶 磷酸甘油酸激酶 磷酸甘油酸變位酶 除葡萄糖外 己糖激酶等可催化果糖 半乳糖等其他己糖轉(zhuǎn)變成磷酸己糖而進入糖酵解途徑代謝轉(zhuǎn)化 NADH H NAD 乳酸脫氫酶 葡萄糖 6 磷酸葡萄糖 1 磷酸葡萄糖 糖原 6 磷酸果糖 1 6 二磷酸果糖 3 磷酸甘油醛 磷酸二羥丙酮 1 3 二磷酸甘油酸 3 磷酸甘油酸 2 磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 乳酸 己糖激酶 6 磷酸果糖激酶 1 丙酮酸激酶 二 糖酵解的調(diào)節(jié) 6 磷酸果糖激酶 1對調(diào)節(jié)糖酵解途徑的流量最重要丙酮酸激酶是糖酵解的第二個重要的調(diào)節(jié)點己糖激酶受到反饋抑制調(diào)節(jié) 三 糖酵解的生理意義 主要的生理功能是在機體缺氧時迅速提供能量正常情況下為一些細胞提供部分能量1mol葡萄糖經(jīng)過糖酵解可凈生成2molATP儲存起來 其儲存效率為31 6 磷酸果糖 1 6 二磷酸果糖 葡萄糖 6 磷酸葡萄糖 1 3 二磷酸甘油酸 3 磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 烯醇式丙酮酸 1 1 2 1 2 1 凈得 第三節(jié)糖的有氧氧化 機體利用氧將葡萄糖徹底氧化成CO2和H2O的反應(yīng)過程稱為有氧氧化 有氧氧化是體內(nèi)糖分解供能的主要方式 絕大多數(shù)細胞都通過它獲得能量 肌組織中葡萄糖通過無氧氧化所生成的乳酸 也可作為運動時某些組織的重要能源 徹底氧化生成CO2和H2O提供足夠的能量 有氧氧化過程概括 O2 O2 O2 H2O H e CO2 乙酰CoA 丙酮酸 丙酮酸 葡糖 6 磷酸 葡萄糖 葡萄糖 胞液 第一階段 線粒體 第二階段 第三階段 一 有氧氧化反應(yīng)過程 一 葡萄糖循糖酵解途徑分解為丙酮酸 二 丙酮酸進入線粒體氧化脫羧生成乙酰CoA 三 乙酰CoA進入檸檬酸循環(huán)以及氧化磷酸化生成ATP FADH2 丙酮酸脫氫酶 二氫硫辛酰胺轉(zhuǎn)乙酰酶 二氫硫辛酰胺脫氫酶 CO2 二 檸檬酸循環(huán) 檸檬酸循環(huán)也稱為三羧酸循環(huán)是由線粒體內(nèi)一系列酶促反應(yīng)構(gòu)成的循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng) 該循環(huán)是HansKrebs于1937年正式提出 亦稱為Krebs循環(huán) 檸檬酸循環(huán)反應(yīng)過程中 首先以乙酰CoA與草酰乙酸縮合生成含3個羧基的檸檬酸 再經(jīng)過4次脫氫 2次脫羧 生成4分子還原當量和2分子CO2 最終重新生成草酰乙酸再進入下一個循環(huán) 還原當量一般是指以氫原子或氫離子形式存在的一個電子或一個電子當量 H20 檸檬酸合酶 H20 H20 NADH H NAD CO2 異檸檬酸脫氫酶 戊二酸脫氫酶復(fù)合體 NADH H NAD CO2 Pi GDP GTP 琥珀酰CoA合成酶 琥珀酸脫氫酶 FAD FADH2 延胡索酸酶 H2O NADH H NAD 蘋果酸脫氫酶 NAD NAD HS CoA CH3COS CoA HS CoA 檸檬酸合酶 順烏頭酸酶 異檸檬酸脫氫酶 酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體 琥珀酰CoA合成酶 琥珀酸脫氫酶 延胡索酸酶 蘋果酸脫氫酶 三羧酸循環(huán)反應(yīng)過程 檸檬酸循環(huán)是乙酰輔酶 的徹底氧化過程 也是能量的產(chǎn)生過程同位素示蹤實驗顯示 在檸檬酸循環(huán)中 CO2中的碳原子來自于草酰乙酸檸檬酸循環(huán)中的中間產(chǎn)物起著催化劑的作用 二 檸檬酸循環(huán)的重要生理意義 檸檬酸循環(huán)是三大營養(yǎng)物質(zhì)分解產(chǎn)能的共同通路三羧酸循環(huán)本身并不是釋放能量 生成ATP的主要環(huán)節(jié) 而是為氧化磷酸化反應(yīng)生成ATP提供NADH H 和FADH2檸檬酸循環(huán)是糖 脂肪 氨基酸代謝聯(lián)系的樞紐三大營養(yǎng)物質(zhì)通過檸檬酸循環(huán)在一定程度上相互轉(zhuǎn)變?nèi)人嵫h(huán)在提供某些物質(zhì)生物合成前體中起重要作用 葡萄糖 6 磷酸葡萄糖 胞質(zhì)內(nèi)反應(yīng)階段 線粒體內(nèi)反應(yīng)階段 1 凈生成32 或30 ATP 三 糖有氧氧化是糖分解生成ATP的主要方式 四 糖有氧氧化的調(diào)節(jié)是基于能量的需求 丙酮酸脫氫酶復(fù)合體的調(diào)節(jié)檸檬酸循環(huán)的調(diào)節(jié) 五 糖有氧氧化可抑制糖無氧氧化 巴斯德效應(yīng)是指在有氧的條件下 糖有氧氧化抑制糖無氧酵解 肌組織也存在這種情況 在一些代謝旺盛的正常組織和腫瘤細胞中 即使在有氧的條件下 仍然以糖無氧酵解為產(chǎn)生 的主要方式 稱為Cratree效應(yīng)或反巴斯德效應(yīng) 第四節(jié)葡萄糖磷酸戊糖途徑 磷酸戊糖途徑是指從糖酵解的中間產(chǎn)物葡萄糖 6 磷酸開始形成旁路 通過氧化 基團轉(zhuǎn)移兩個階段生成果糖 6 磷酸和3 磷酸甘油醛 從而返回糖酵解的代謝途徑 亦稱為磷酸戊糖旁路 葡萄糖經(jīng)磷酸戊糖途徑分解的主要意義在于產(chǎn)生參與體內(nèi)合成代謝所需要的NADPH H 和5 磷酸核糖 而不是產(chǎn)生ATP 磷酸戊糖途徑在肝 脂肪組織 腎上腺皮質(zhì) 紅細胞和哺乳期乳腺中較活躍 反應(yīng)的全過程都在細胞液中進行 一 葡萄糖磷酸戊糖途徑的反應(yīng)過程 第一階段 氧化反應(yīng)階段 磷酸核糖的生成 第二階段 非氧化反應(yīng)階段 基團轉(zhuǎn)移反應(yīng) 6 磷酸葡萄糖 6 磷酸葡萄糖酸內(nèi)酯 6 磷酸葡萄糖酸 5 磷酸核酮糖 5 磷酸木酮糖 5 磷酸核糖 5 磷酸木酮糖 3 磷酸甘油醛 6 磷酸果糖 4 磷酸赤蘚糖 7 磷酸景天糖 6 磷酸果糖 3 磷酸甘油醛 葡萄糖分解途徑 6 磷酸葡萄糖脫氫酶 內(nèi)酯酶 轉(zhuǎn)酮醇酶 轉(zhuǎn)醛醇酶 磷酸戊糖途徑反應(yīng)過程 轉(zhuǎn)酮醇酶 二 葡萄糖磷酸戊糖途徑的生理意義 提供NADPH H 作為供氫體參與多種代謝反應(yīng)NADPH H 是體內(nèi)許多合成代謝的供氫體 NADPH H 參與體內(nèi)的羥化反應(yīng) NADPH H 用于維持谷胱甘肽的還原狀態(tài) 蠶豆病 為核苷酸 核酸的生物合成提供5 磷酸核糖肌肉組織內(nèi)磷酸核糖依靠基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)生成 第五節(jié)糖原合成與糖原分解 糖原是動物體內(nèi)葡萄糖的儲存形式 攝入的糖類大部分轉(zhuǎn)變成脂肪后儲存于脂肪組織內(nèi) 另有一小部分以糖原的形式儲存在肝和肌肉組織中 糖原生物學(xué)意義在于迅速提供葡萄糖 主要以肝糖原和肌糖原形式存在 肝糖原的合成與分解主要是為了維持血糖濃度的相對恒定 肌糖原是肌肉糖酵解的主要來源 糖原是以葡萄糖殘基為基本單位通過 1 4 糖苷鍵和 1 6 糖苷鍵連接而成的帶有分支的大分子多糖 一 糖原合成 一 糖鏈的延長 二 糖鏈分支的形成 葡糖磷酸變位酶 UTP 己糖激酶 UDPG焦磷酸化酶 二 糖原分解 在限速酶糖原磷酸化酶的催化下 糖原從分支的非還原端開始 逐個分解以 1 4 糖苷鍵連接的葡萄糖殘基 形成1 磷酸葡萄糖 1 磷酸葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)? 磷酸葡萄糖后 肝及腎中含有葡萄糖 6 磷酸酶 使其水解變成游離的葡萄糖 釋放到血中 維持血糖濃度的相對恒定 糖原Gn 1 1 磷酸葡萄糖 UDPG 糖原磷酸化酶 糖原合酶 糖原Gn 6 磷酸葡萄糖 葡萄糖 Pi UDP 糖原合成與分解 三 糖原合成與分解的調(diào)節(jié) 磷酸化酶 有磷酸化和去磷酸化兩種形式 當其14位絲氨酸被磷酸化后 活性很低的磷酸化酶 磷酸化酶b 轉(zhuǎn)彎成活性很強的磷酸型磷酸化酶 磷酸化酶a 磷酸化過程由磷酸化酶b激酶催化 糖原合酶 糖原合酶也有兩種形式 糖原合酶a有活性 磷酸化后的糖原合酶b無活性 激素 胰高血糖素 腎上腺素等 AC AC 有活性 ATP cAMP PKAa PKA 磷酸化酶b激酶 磷酸化酶b激酶 P Pi 磷蛋白磷酸酶 1 磷酸化酶b Pi 磷蛋白磷酸酶 1 Pi 磷蛋白磷酸酶 1 糖原合酶a 胰島素 磷蛋白磷酸酶抑制物 1 二 糖原合酶的調(diào)節(jié) 一 糖原磷酸化酶的調(diào)節(jié) 葡萄糖 Ca2 AMP ATP G 6 P 第六節(jié)糖異生作用 以非糖物質(zhì) 如生糖氨基酸 乳酸 丙酮酸及甘油等 為原料 在酶的作用下將其轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟腔蛱窃倪^程稱為糖異生 機體內(nèi)進行糖異生補充血糖的最主要器官是肝 腎在正常情況下葡糖異生能力只有肝的1 10 長期饑餓時腎葡糖異生能力大大增強 一 糖異生作用的反應(yīng)過程 從丙酮酸生成葡萄糖的具體反應(yīng)過程稱為糖異生途徑 糖異生途徑基本上是糖酵解反應(yīng)的逆反應(yīng) 也包括部分三羧酸循環(huán)的逆反應(yīng) 在糖酵解途徑中 由于己糖激酶 6 磷酸果糖激酶 1和丙酮酸激酶催化的反應(yīng)不可逆 因此 要完成葡萄糖酵解的逆反應(yīng) 必須使這三步反應(yīng)能逆向進行 一 丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿嵯┐际奖?丙酮酸羧化支路 ATP CO2 ADP Pi Mg2 丙酮酸羧化酶 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 GDP CO2 GTP 生物素 基質(zhì)側(cè) 胞液側(cè) 線粒體內(nèi)膜 蘋果酸 草酰乙酸 NADH H NAD 草酰乙酸 蘋果酸 NADH H NAD 蘋果酸脫氫酶 草酰乙酸 天冬氨酸 谷氨酸 酮戊二酸 谷草轉(zhuǎn)氨酸 酮戊二酸 草酰乙酸 天冬氨酸 谷氨酸 谷草轉(zhuǎn)氨酸 蘋果酸脫氫酶 二 1 6 二磷酸果糖轉(zhuǎn)變?yōu)? 磷酸果糖 果糖 1 6 二磷酸酶 1 三 6 磷酸葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟?葡萄糖 6 磷酸酶 反應(yīng)中作用物的互相轉(zhuǎn)變是由不同的酶催化的單向的不可逆反應(yīng) 這種作用的互變循環(huán)稱為底物循環(huán) 相同活性的兩種酶催化作用的結(jié)果只是消耗能量而不能推進反應(yīng)的時行 形成所謂的無效循環(huán) 二 糖異生作用的調(diào)節(jié) 一 果糖 6 磷酸與1 6 二磷酸果糖之間的底物循環(huán)的調(diào)節(jié) 二 磷酸烯醇式丙酮酸與丙酮酸之間的底物循環(huán)的調(diào)節(jié) 三 糖異生作用的生理意義 維持血糖濃度的相對恒定糖乳酸再利用補充肝糖原儲備 三碳途徑或間接途徑 緩解酸中毒 血液 葡萄糖 葡萄糖 乳酸 NAD NADH H 丙酮酸 葡萄糖 丙酮酸 NADH H NAD 乳酸 乳酸 糖酵解途徑 糖異生途徑 葡萄糖 6 磷酸葡萄糖 3 磷酸甘油醛 丙酮酸 乙酰CoA 三羧酸循環(huán) 乳酸 1 磷酸葡萄糖 6 磷酸果糖 5 磷酸核糖 糖原 第七節(jié)血糖及其調(diào)節(jié) 一 血糖的來源和去路 食物中糖 肝糖原 非糖物質(zhì) 乳酸 甘油 氨基酸等 CO2 H2O 能量 肝 肌糖原 其他糖 戊糖等 非糖物質(zhì) 脂肪 非必需氨基酸等 消化吸收 氧化分解 糖原合成 分解 糖異生 其他代謝途徑 轉(zhuǎn)變 二 血糖濃度的調(diào)節(jié) 1 胰島素調(diào)節(jié)血糖的作用機制促進肌 脂肪組織等的細胞膜攝取葡萄糖增強磷酸二酯酶活性 降低cAMP濃度 加速糖原合成 抑制糖原分解激活丙酮酸脫氫酶 脫磷酸 加快糖的有氧氧化抑制肝內(nèi)糖異生 抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的合成及促進進入肌組織生成蛋白質(zhì) 抑制脂肪動員并抑制脂肪氧化生成葡萄糖 2 胰高血糖素調(diào)節(jié)血糖的作用機制 經(jīng)肝細胞膜受體激活依賴cAMP的蛋白激酶 從而抑制糖原合酶和激活磷酸化酶抑制6 磷酸果糖激酶 2并激活果糖二磷酸酶 2 抑制糖酵解加