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第 8章 糖代谢 Carbohydrate Metabolism 本章主要内容 糖在动物体内的一般概况 糖的分解供能 磷酸戊糖途径 葡萄糖异生途径 糖原的分解与合成 糖代谢各途径之间的关系 动物机体主要的能源和碳源 提供 70%的能量，神经系统、胎儿和乳的合成消耗更多 的葡萄糖为氨基酸和脂肪合成提供 C的来源 构成组织细胞的成分 核酸中的核糖，结缔组织中的蛋白多糖， 细胞膜上的糖脂 和糖蛋白等 其他方面 如信号传导，免疫机能 1.糖在动物体内的一般概况 1.1 糖的生理功能 1.2 糖的来源和去路 葡萄糖 消化吸收 异生作用 糖原分解 氧化供能 贮 存 转变成其他物质 意义 反映机体的能量水平，糖的分解和利用的动态平衡，对大脑、 胎儿尤为重要 激素的调节作用 胰岛素下调、胰高血糖素上调、肾上腺素上调、糖皮质激素 上调 糖尿 血糖水平相对恒定，超过肾糖阈值，葡萄糖随尿排出 1.3 血糖 1897年， Buchner兄弟由蔗糖发酵成乙醇的实验中发现。 酵解 是在无氧或缺氧的条件下，葡萄糖或糖原分解成乳酸并且有能量 （ ATP）释放的过程。 总反应为 : 葡萄糖 乳酸 + 能量 G. Embden 和 Meyerhof揭示了其途径。 酵解途径的酶系存在于胞液中。 2.糖的分解代谢 2.1 糖酵解 (Glycolysis) 糖的无氧氧化 2+Mg A TP - 6 - A D P 己 糖 激 酶葡 萄 糖 葡 萄 糖 磷 酸 OH O H O H H H O HH O H C H 2 O P O 3 H O H C H 2 O H H C H 2 O P O 3 O H H H H O O 葡 萄 糖 - 6 - 磷 酸 果 糖 - 6 - 磷 酸 磷 酸 葡 萄 糖 异 构 酶 M g 2 + 2 -2 - 第一阶段 葡萄糖（ 6C）断裂变为 2个磷酸丙糖（ 3C） 注意，这个过程消耗了 2个 ATP分子 不可逆反应 O H C H 2 O H H C H 2 O P O 3 O H H H H O O 果 糖 - 6 - 磷 酸 O H C H 2 O P O 3 H C H 2 O P O 3 O H H H H O O 果 糖 - 1 , 6 - 二 磷 酸 A T P+ 磷 酸 果 糖 激 酶 M g 2 + 2 - 2 - 2 - O H C H 2 O P O 3 H C H 2 O P O 3 O H H H H O O 果 糖 - 1 , 6 - 二 磷 酸 C C H 2 O P O 3 2 - C H 2 O H O H C C C H 2 O P O 3 2 - O H HO 二 羟 丙 酮 磷 酸 甘 油 醛 - 3 - 磷 酸 + 醛 缩 酶 2 - 2 - 丙 糖 磷 酸 异 构 酶二 羟 丙 酮 磷 酸 甘 油 醛 -3- 磷 酸 不可逆反应 反应倾向生成磷酸甘油醛 ,往下以 2分子甘油醛 -3-P作为底物进行 第二阶段 生成丙酮酸 在这个阶段发生了氧化反应（生成 NADH）和第一次形 成了高能键，共产生了 2个 ATP分子 H C C C H 2 O P O 3 2 - O H HO 甘 油 醛 - 3 - 磷 酸 N A D + P i H C C C H 2 O P O 3 2 - O H O P O 3 2 - O + + 甘 油 醛 - 3 - 磷 酸 脱 氢 酶 1 , 3 - 二 磷 酸 甘 油 酸 N A D H+ + H + H C C C H 2 O P O 3 2 - O H O P O 3 2 - O 1 , 3 - 二 磷 酸 甘 油 酸 A D P H C C O O C H 2 O P O 3 2 - O H 3 - 磷 酸 甘 油 酸 A T P+ 磷 酸 甘 油 激 酶 M g 2 + H C C O O C H 2 O P O 3 2 - O H H C C O O C H 2 O H O P O 3 2 - M g 2 + 磷 酸 甘 油 酸 变 位 酶 3 - 磷 酸 甘 油 酸 2 - 磷 酸 甘 油 酸 H C C O O C H 2 O H O P O 3 2 - 2 - 磷 酸 甘 油 酸 C C O O C H 2 O P O 3 2 - 烯 醇 化 酶 磷 酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 C C O O C H 2 O P O 3 2 - A D P C C O O C H 3 O A T P+ 丙 酮 酸 激 酶 M g 2 + K + + , 磷 酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 丙 酮 酸 接着，烯醇化酶催化的反应使分子内部基团重排能量 重新分布，形成了第二个高能键，共生成 2个 ATP分子 不可逆反应 第三阶段 丙酮酸还原成乳酸 在无氧的条件下，丙酮酸在乳酸脱氢酶的催化下，加氢还 原生成乳酸，所需的 NADH 来自第二阶段的反应。 C C O O C H 3 O + N A D H H + H C C O O C H 3 O H N A D + 乳 酸 脱 氢 酶 + 丙 酮 酸 乳 酸 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸果糖 1， 6-二磷酸果糖 3-磷酸甘油醛 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 磷酸二羟丙酮 乙醛 乳酸 乙醇 己糖激酶 磷酸己糖异构酶 磷酸果糖激酶 醛缩酶 脱氢酶 磷酸甘油酸激酶 变位酶 烯醇化酶 丙酮酸激 酶 乳酸脱氢酶 -ATP -ATP +ATP +ATP 糖原 1-P-G 糖酵解途径汇总 由 1分子 G在无氧条件下氧化分解， 最终产生 2分子 ATP。如果从糖原 开始，则可得到 3分子 ATP(见下一节 ) 注意酵解途径中的 3个 关键酶催化的不可逆 反应 . 他们是 : 1. 己糖激酶 2. 磷酸果糖激酶 3. 丙酮酸激酶 糖酵解的生理意义 是动物机体在无氧或供氧不充分的情况下通过分解葡萄糖 或糖原获得部分能量的重要方式。 运动和使役的动物肌肉，一些供氧不足的组织，如视网膜、 皮肤、睾丸以及肿瘤等组织通过这个途径获得部分能量。 酵解途径与糖的有氧氧化途径、磷酸戊糖途径以及异生途径 都有密切联系。 2.2 有氧氧化（ aerobic oxidation） 有氧条件下 ,葡萄糖彻底氧化生成 CO2和 H2O,并伴有能量 释放的过程 C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 能量 过程分三阶段 ,第一阶段在胞液 (同酵解 )，后两个阶段在线粒体中进行 2 丙酮酸 第一阶段 由葡萄糖 第二阶段 丙酮酸的氧化 丙酮酸（ 3C）转变为乙酰 CoA（ 2C），在线粒体中进行， 由丙酮酸脱氢酶系催化， 为不可逆反应 ，它包含有三个酶 。 总反应如下 ： H 3 C C O C O O H H S C o A H 3 C C O S C o A 乙 酰 C o A + C O 2 丙 酮 酸 脱 氢 酶 复 合 体 N A D + N A D H + H + + 丙 酮 酸 与无氧酵解相同 , 在胞液中进行 注意 产物为 2分子乙酰 CoA 丙酮酸脱氢酶复合体 三个酶分别是 : E1 丙酮酸脱氢酶 E2 二氢硫辛酸乙酰转移酶 E3 二氢硫辛酸脱氢酶 还有 6种辅助因子 TPP、硫辛酸、 CoA、 FAD、 NAD+和 Mg2+ 丙酮酸脱氢酶复合体 (pyruvate dehydrogenase complex, PDC) 催化的反应 第三阶段 三羧酸循环 1937年 Crebs提出。又称 柠檬酸循环 或 Crebs循环。 以乙酰 CoA与草酰乙酸缩 合成柠檬酸（含 3个羧基） 的反应为起始，对乙酰基团 进行氧化脱羧再生成草酰乙 酸的单向循环反应序列。 在线粒体中进行。 三 羧 酸 循 环 反 应 三羧酸循环的产物 乙酰 CoA（ 2C）经过三羧酸循环完全分解释放 2个 CO2，同时 生成 3个 NADH2， 1个 FADH2， 1个 GTP（或 ATP）。 NADH2 和 FADH2 所携带的 H原子来自循环中代谢中间物的脱氢。 在有氧条件下，每 2个 H原子可以通过呼吸链（电子传递系统） 传递给 1/2O2， 生成 H2O，并且有能量释放用以合成 ATP。 1分子 NADH2 经呼吸链生成 1分子 H2O和 2.5个 ATP 1分子 FADH2 经呼吸链生成 1分子 H2O和 1.5个 ATP 以 1分子的葡萄糖完全氧化为例进行能量计算 第一阶段（胞液）：生成 2ATP 生成 2NADH2 计 7（ 5） ATP 第二阶段（线粒体）： 2NADH2 2CO2 计 5ATP 第三阶段（线粒体） ： 6NADH2 4CO2 2FADH2 2GTP（或 2ATP） 计 20ATP 共计 32（ 30） ATP和 6CO2 有氧氧化的生理意义 糖的有氧氧化是动物获得能量的主要方式。 糖的有氧氧化是糖、脂和氨基酸等营养物质分解代谢的 共同归宿。 糖的有氧氧化也是糖、脂和氨基酸等营养物质互相转变 和联系的共同枢纽。 糖的有氧氧化途径为嘌呤、嘧啶、尿素的合成提供 二氧化碳，也是大自然碳循环的重要组成部分。 不依赖于有氧或无氧的葡萄糖分解途径，约有 30%的葡萄 糖经过这条途径代谢，在胞液中进行，尤其在合成代谢旺盛 的组织中活跃。 从 6-P-葡萄糖开始，经过两个阶段： 1. 氧化阶段 产生 NADPH2、 CO2和 5-P-核酮糖； 2. 非氧化阶段 通过基团的交换和分子内部的重组， 5-P-核 酮糖又转变为磷酸己糖。 2.3 磷酸戊糖途径（ pentose phosphate pathway） 磷酸戊糖途径 注意 : 途径的氧化阶段 生成 NADPH的和释放 CO2 非氧化阶段中 基团交换和重组 的结果生成磷酸果 糖和 3-磷酸甘油醛， 后者又可以转变成 磷酸果糖。 氧 化 阶 段 非 氧 化 阶 段 磷酸戊糖途径的生理意义 途径生成的 NADPH用于 还原性生物合成 ，如脂肪酸、胆固醇、 脱氧核苷酸、谷胱甘肽等的合成，维持细胞的还原性，也可以氧 化供能 途径生成的磷酸核糖是 合成核苷酸 的原料 与糖的酵解途径和有氧氧化途径相联系，也是其他单糖代谢 和转变的途径 与植物的光合过程有密切联系 总反应 : 6 X 葡萄糖 -6-P 5 X 葡萄糖 -6-P+ 12 NADPH2+ 6 CO2+Pi 非糖物质可以通过糖代谢途径中的某个代谢中间产物沿着糖的分解途径逆转转 变成葡萄糖或糖原。但是这种转变不是糖分解代谢的简单逆转，必须克服那些 由关键酶所催化的不可逆反应造成的“能障”。主要有三个酶催化的反应 , 异生 过程必须设法“绕过”这三个反应 . 己糖激酶 （葡萄糖激酶，肝） : 葡萄糖 葡萄糖 -6-磷酸 磷酸果糖激酶 : 果糖 -6-磷酸 果糖 -1,6-二磷酸 丙酮酸激酶 : 磷酸烯醇式丙酮酸 烯醇式丙酮酸 +ATP 烯醇式丙酮酸 丙酮酸 3. 糖的异生作用 3.1 概述 ATP ATP ADP (1) (2) (3) 3.2 糖异生的反应过程 要克服糖分解代谢途径中的三个障碍 (不可逆反应 ) 第一个反应的逆向反应是： - 6 -2- 6 - H O Pi 葡 萄 糖 磷 酸 酶葡 萄 糖 磷 酸 葡 萄 糖 第二个反应的逆向反应是： - 1 6 -2- 1 6 - H O - 6 - Pi 果 糖 ， 二 磷 酸 酶果 糖 ， 二 磷 酸 果 糖 磷 酸 肝脏 第三个反应的逆转通过以下反应进行 : 2HPiA D POHA T PCO 22 草酰乙酸丙酮酸 丙酮酸羧化酶A： 反应在线粒体中进行 , 该酶需要生物素作辅酶 C O O - C O C H 2 C O - O 草 酰 乙 酸 + G T P C O O - C C H 2 O P O - O - O磷 酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 羧 激 酶 + C O 2 + G D P 磷 酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 B： 反应在胞液中进行，草酰乙酸通过苹果酸转运到胞液 苹果酸在转运草酰乙酸时发挥了载体的作用 线粒体中进行 胞液中进行 非糖物质 (甘油、乳酸和某些生糖氨基酸 )的异生途径 非糖物质的异生作用在 肝脏和肾脏 中进行 异生作用的意义和乳酸的利用 在糖的来源不足时，如饥饿、禁食等情况下，异生作用是维持 机体血糖水平的重要手段，对神经组织、大脑、胎儿尤其重要。 反刍动物 50%葡萄糖的来源通过丙酸的异生作用 (见脂代谢 )。 肝脏在氧化来自肌糖原酵解生成的乳酸同时，还可将其转变为葡 萄糖或肝糖原，实现对乳酸的再利用 , 称为 Coris 循环。 乳酸循环（ Cori 循环） 糖原 ( glycogen )，又称动物淀粉，支链，分子量数百万以上。主 要由葡萄糖以 （ 1， 4）糖苷键相连（ 93%），以少量 （ 1， 6）糖苷 键（ 7%）形成分支。有肝糖原和肌糖原。 4. 糖原的分解与合成 4.1 糖原结构 糖原磷酸化酶 转移酶 脱支酶 4.2 糖原分解 1 OH O H H H O HH O H C H 2 O H H 4 1 OH H H O HH O H C H 2 O H H O 4 1 OH H H O HH O H C H 2 O H H O O 4 1 OH H O H O HH O H C H 2 O H H O PO O O 1 OH O H H H O HH O H C H 2 O H H 4 1 OH H H O HH O H C H 2 O H H O 4 1 OH H H O HH O H C H 2 O H H O O 4 1 OH O H H H O HH O H C H 2 O H H O PH O O O 断 键 部 位 + + 磷 酸 化 酶 糖 原 的 非 还 原 末 端 在磷酸化酶催化下糖原被磷酸解 生成葡萄糖 -1-磷酸 ,其分支由脱支 酶催化水解脱去 ,生成葡萄糖 Pi OH O H H H O HH O H C H 2 O H H O P O 3 2 - OH O H H O H H O HH O H C H 2 O P O 3 2 - H OH O H H O H H O HH O H C H 2 O H H P i+ 磷 酸 葡 萄 糖 变 位 酶 葡 萄 糖 - 6 - 磷 酸 酶 葡 萄 糖 - 1 - 磷 酸 葡 萄 糖 - 6 - 磷 酸 葡 萄 糖 葡萄糖 -1-磷酸在磷酸葡萄糖变位酶的作用下转变成葡萄糖 -6- 磷酸，后者或者进入糖的氧化分解途径 , 或者在葡萄糖磷酸酶 (肝 脏 )作用下水解成葡萄糖，释放进入血液。 过多摄入的葡萄糖可以通过合成糖原贮存在肝和肌肉中 .但是每个葡萄糖分子都 首先要磷酸化成为 6-P-葡萄糖，再异构成 1-P-葡萄糖，后着再进一步活化为 尿苷二 磷酸葡萄糖 (UDPG)。再在糖原引物的非还原端逐个加上葡萄糖基，同时释放出 UDP，糖原合成酶是这个反应的关键酶。糖原的分支由分支酶催化形成 . 4.3 糖 原合成 2+Mg A TP - 6 - A D P 己 糖 激 酶葡 萄 糖 葡 萄 糖 磷 酸 OH O H H H O HH O H C H 2 O H H O P O 3 2 - OH O H H O H H O HH O H C H 2 O P O 3 2 - H 磷 酸 葡 萄 糖 变 位 酶 葡 萄 糖 - 1 - 磷 酸葡 萄 糖 - 6 - 磷 酸 1 2 1 - U T P U D P - P P i 葡 萄 糖 -磷 酸 葡 萄 糖P P i 2 P i 无 机 焦 磷 酸 酶 n n + 1U D P G + G U D P G 糖 原 合糖 原 （ ） 糖 原 （ ）酶 3 4 5 UDPG焦磷酸化酶催化 G-1-P活化成为 UDP-葡萄糖 (尿嘧啶核苷二磷酸葡萄糖 ) 糖原 引物 乳 糖 D _ 葡 萄 糖D _ 半 乳 糖 + H 2 O 乳 糖 酶 或 _ 半 乳 糖 苷 酶 （ 微 生 物 ） OH O H H H O HH O H C H 2 O H H O H OH O H H H O HH O H C H 2 O H H O P O 3 2 -半 乳 糖 激 酶 A T P A D P 半 乳 糖 半 乳 糖 - 1 - 磷 酸 OH O H H H O HH O H C H 2 O H H O P O 3 2 - 半 乳 糖 - 1 - 磷 酸 OH O H H H O HH O H C H 2 O H H O P O O O P O O O 尿 嘧 啶半 乳 糖 - 1 - 磷 酸 尿 苷 酰 转 移 酶 U D P - 葡 萄 糖 葡 萄 糖 - 1 - 磷 酸 U D P - 半 乳 糖 4.4 乳糖分解 UDP-半乳糖可以异构成 UDP-葡萄糖 ,再进一步代谢转变 5. 糖代谢的调节 5.1 糖代谢各途径之间的联系 第一个交汇点： 6-磷酸葡萄糖 第二个交汇点： 3-磷酸甘油醛 第三个交汇点： 丙酮酸 途径的相互影响 细胞能量水平的提高， ATP通过抑制肌肉磷酸己糖激酶的 活性降低酵解途径的活性，这种有氧氧化抑制酵解途径称巴斯 德效应 磷酸戊糖途径中的 6-P-葡萄糖酸（作为一种竞争性抑制剂） 抑制磷酸己糖异构酶，从而抑制酵解和有氧氧化途径。 激素的影响 激素对糖代谢的影响主要有胰岛素、胰高血糖素、肾上腺素 和糖皮质激素等 5.2 糖代谢的调节 细胞能量水平的调节 糖的摄入，除了部分供能以外，糖原的合成增加；而运动使糖分 解加快，糖原的合成变慢。缺乏糖的供应，糖异生作用加强。 途径中关键酶的活性在相当程度上受到细胞能量水平（细胞中 ATP和 ADP、 AMP的相对比例）的影响，这些核苷酸常是这些关键 酶的变构调节剂。 关键酶或酶系的名称 激活剂 抑制剂 己糖激酶 P i G - 6 - P （对葡糖激酶无影响） 磷酸果糖激酶 A D P ， A MP ， Pi 2 ， 6 - 二磷酸果糖 A TP ，柠檬酸，脂肪酸 丙酮酸激酶 A D P A TP ，柠檬酸，丙氨酸 丙酮酸脱氢酶系 A D P A TP ，乙酰 C oA ， N A D H 柠檬酸合酶 A D P A TP 异柠檬酸脱氢酶 A D P ， A MP A TP 酮戊二酸脱氢酶系 A D P A TP ，琥珀酰 C o A ， N A D H 丙酮酸羧化酶 乙酰 C o A 磷酸化酶 A MP A TP ， G - 6 - P 糖原合成酶 A TP A D P ， A MP 糖代谢途径中主要关键酶活性调节 练 习 1. 一个 9肽的氨基酸序列是： Lys Met Ser Glu Ser Tyr Ala Leu Gly a. 正确命名这个肽 ; b. 写出它受胰蛋白酶与胰凝乳蛋白酶共同作用时得到 的产物 ,分别指出这两种酶的切点。 2. 图示以下多核苷酸链 5AUUCCGACUGGCGAAGUCGGCGC 3 在溶液中可能形成的结构 . 3. 含硫酶常常显示出较好的热稳定性，但有时其活性又容易 被重金属离子所抑制。为什么？ 4. 动物缺乏 B族维生素供应时，会直接影响对糖的利用。举 2个例子予以说明。 本章结束
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