生物化学讲义(7)

第七章糖代谢（10学时）第一节概述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。

在人体内糖的主要形式是葡萄糖(glucose，Glc)及糖原(glycogen，Gn)。

葡萄糖是糖在血液中的运输形式，在机体糖代谢中占据主要地位；糖原是葡萄糖的多聚体,包括肝糖原、肌糖原和肾糖原等，是糖在体内的储存形式。

葡萄糖与糖原都能在体内氧化提供能量。

食物中的糖是机体中糖的主要来源，被人体摄入经消化成单糖吸收后，经血液运输到各组织细胞进行合成代谢和分解代谢。

机体内糖的代谢途径主要有葡萄糖的无氧酵解、有氧氧化、磷酸戊糖途径、糖原合成与糖原分解、糖异生以及其他己糖代谢等。

本章重点介绍葡萄糖在机体中血糖浓度动态平衡的维持和前五种主要代谢的途径、生理意义及其调节。

一、糖的主要生理功能①氧化供能：糖类占人体全部供能的70%。

(1g糖可提供约16.7kJ的能量)②构成组织细胞的基本成分：核糖:构成核酸；糖脂:生物膜成分③转变为体内的其它成分：转变为脂肪；转变为非必需氨基酸一、糖酵解二、糖的消化吸收食物中的糖主要是淀粉，另外包括一些双糖及单糖。

多糖及双糖都必须经过酶的催化水解成单糖才能被吸收。

食物中的淀粉经唾液中的α淀粉酶作用，催化淀粉中α-1，4-糖苷键的水解，产物是葡萄糖、麦芽糖、麦芽寡糖及糊精。

淀粉的主要消化部位在小肠。

糖被消化成单糖后的主要吸收部位是小肠上段，己糖尤其是葡萄糖被小肠上皮细胞摄取是一个依赖Na+的耗能的主动摄取过程，这个过程的能量是由Na+的浓度梯度（化学势能）提供的，它足以将葡萄糖从低浓度转运到高浓度。

当小肠上皮细胞内的葡萄糖浓度增高到一定程度，葡萄糖经小肠上皮细胞单向葡萄糖转运体（unidirectional glucose transporter）顺浓度梯度被动扩散到血液中。

三、糖代谢是指葡萄糖在体内的复杂化学反应，葡萄糖吸收入血后，依赖一类葡萄糖转运体（glucose transporter, GLUT）而进入细胞内代谢。

第一节糖的无氧酵解（糖酵解）当机体处于相对缺氧情况(如剧烈运动)时，葡萄糖或糖原分解生成乳酸和少量ATP的过程称之为糖的无氧酵解。

这个代谢过程常见于运动时的骨骼肌，因与酵母的生醇发酵非常相似，故又称为糖酵解。

糖的无氧酵解途径，亦称为EMP途径。

因Meyerhof (M)、Embden (E)和Parnaas (P)的工作对阐明糖酵解的关键步骤起着直接重要的作用，因此酵解途径也被称为MEP途径。

反应过程：参与糖酵解反应的一系列酶存在在细胞质中，因此糖酵解的全部反应过程均在细胞质中进行。

根据反应特点，可将整个过程分为三个阶段，十步反应。

（一）糖酵解过程（Embden-Meyerhof Pathway，EMP）1. 活化阶段（1）葡萄糖磷酸化形成G-6-P此反应基本不可逆，调节位点。

以G-6-P形式将Glc限制在细胞内。

催化此反应的激酶有，已糖激酶和葡萄糖激酶。

已糖激酶：专一性不强。

己糖激酶是酵解途径中第一个调节酶，被产物G-6-P强烈地别构抑制。

葡萄糖激酶：对Glc有专一活性，存在于肝脏中，不被G-6-P抑制。

Glc激酶是一个诱导酶，由胰岛素促使合成，肌肉细胞中已糖激酶对Glc的Km为0.1mmol/L，而肝中Glc激酶对Glc的Km为10mmol/L，因此，平时细胞内Glc浓度为5mmol/L时，已糖激酶催化的酶促反应已经达最大速度，而肝中Glc激酶并不活跃。

进食后，肝中Glc浓度增高，此时Glc激酶将Glc转化成G-6-P，进一步转化成糖元，贮存于肝细胞中。

（2）G-6-P异构化为F-6-P此反应由磷酸Glc异构酶催化，将葡萄糖的羰基C由C1移至C2，为C1位磷酸化作准备，同时保证C2上有羰基存在，这对分子的β断裂，形成三碳物是必需的。

（3）F-6-P磷酸化，生成F-1.6-2P此反应在体内不可逆，调节位点，由磷酸果糖激酶催化。

磷酸果糖激酶既是酵解途径的限速酶，又是酵解途径的第二个调节酶。

2.裂解阶段（4）F-1.6-2P裂解成3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮（DHAP）该反应在热力学上不利，但是，由于具有非常大的△G0负值的F-1.6-2P的形成及后续甘油醛-3-磷酸氧化的放能性质，促使反应正向进行。

同时在生理环境中，3-磷酸甘油醛不断转化成丙酮酸，驱动反应向右进行。

（5）磷酸二羟丙酮（DHAP）异构化成3-磷酸甘油醛由磷酸丙糖异构酶催化。

已糖转化成3-磷酸甘油醛后，C原子编号变化：F-1.6-2P的C1-P、C6-P都变成了3-磷酸甘油醛的C3-P。

3.放能阶段（6）3-磷酸甘油醛氧化成1.3—二磷酸甘油酸（高能化合物）和NADH+H+由磷酸甘油醛脱氢酶催化。

此反应既是氧化反应，又是磷酸化反应，氧化反应的能量驱动磷酸化反应的进行。

碘乙酸可与酶的-SH结合，抑制此酶活性，砷酸能与磷酸底物竞争，使氧化作用与磷酸化作用解偶连（生成3-磷酸甘油酸）。

（7）1．3-二磷酸甘油酸转化成3-磷酸甘油酸和ATP由磷酸甘油酸激酶催化，是酵解过程中的第一次底物水平磷酸化反应，也是酵解中第一次产生ATP的反应。

一分子Glc产生二分子三碳糖，共产生2ATP。

（8）3-磷酸甘油酸转化成2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶催化，磷酰基从C3移至C2。

（9）2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate，PEP)（高能化合物）2-磷酸甘油酸中磷脂键是一个低能键（△G= -17.6Kj /mol）而磷酸烯醇式丙酮酸中的磷酰烯醇键是高能键（△G= -62.1Kj /mol），因此，这一步反应显著提高了磷酰基的转移势能。

（10）磷酸烯醇式丙酮酸生成ATP和丙酮酸。

不可逆，调节位点。

由丙酮酸激酶催化，丙酮酸激酶是酵解途径的第三个调节酶，这是酵解途径中的第二次底物水平磷酸化反应，磷酸烯醇式丙酮酸将磷酰基转移给ADP，生成ATP和丙酮酸。

这是无氧酵解过程第二次生成ATP，产生方式也是底物水平磷酸化。

由于是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，所以在这一过程中，1分子葡萄糖可产生2分子ATP。

（11）EMP总反应式1葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+ → 2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O(二)2分子丙酮酸还原为2分子乳酸在无氧条件下，丙酮酸被还原为乳酸。

此反应由乳酸脱氢酶催化，乳酸脱氢酶有多种同工酶(详见第四章)，骨骼肌中主要含有LDH5，它和丙酮酸亲和力较高，有利于丙酮酸还原为乳酸，LDH5的辅酶是NAD+。

还原反应所需的NADH+H+是3-磷酸甘油醛脱氢时产生，作为供氢体脱氢后成为NAD+，再作为3-磷酸甘油醛脱氢酶的辅酶。

因此，NAD+来回穿梭，起着递氢作用，使无氧酵解过程持续进行。

在有氧的条件下，3-磷酸甘油醛脱氢产生的NADH+H+从细胞质中通过穿梭系统进入线粒体经电子传递链传递生成水，同时释放出能量(详见“第八章”)。

（三）糖酵解过程的能量变化1分子葡萄糖在缺氧的条件下转变为2分子乳酸，同时伴随着能量的产生，净产生2分子ATP；糖原开始1分子葡萄糖单位糖酵解成乳酸，净产生3分子ATP。

（四）糖酵解的生理意义(1) 主要的生理功能是在缺氧时迅速提供能量(2)正常情况下为一些细胞提供部分能量(3) 糖酵解是糖有氧氧化的前段过程，其一些中间代谢物是脂类、氨基酸等合成的前体。

（五）糖酵解的调节1.已糖激酶调节别构抑制剂（负效应调节物）：G-6-P和ATP；别构激活剂（正效应调节物）：ADP。

2.磷酸果糖激酶调节（关键限速步骤）抑制剂：ATP、柠檬酸、脂肪酸和H+，激活剂：AMP、F-2.6-2P；ATP。

细胞内含有丰富的ATP时，此酶几乎无活性。

高含量的柠檬酸是碳骨架过剩的信号。

3.丙酮酸激酶调节抑制剂：乙酰CoA、长链脂肪酸、Ala、ATP；激活剂：F-1.6-P。

共价修饰调节：（六）丙酮酸的去路1.进入三羧酸循环2.生成乳酸在厌氧酵解时（乳酸菌、剧烈运动的肌肉），丙酮酸接受了3-磷酸甘油醛脱氢酶生成的NADH上的氢，在乳酸脱氢酶催化下，生成乳酸。

总反应：Glc + 2ADP + 2Pi → 2乳酸 + 2ATP + 2H2O动物体内的乳酸循环（Cori）循环：肌肉收缩，糖酵解产生乳酸。

乳酸透过细胞膜进入血液，在肝脏中异生为Glc，解除乳酸积累引起的中毒。

Cori循环是一个耗能过程：2分子乳酸生成1分子Glc，消耗6个ATP。

3.生成乙醇酵母或其它微生物中，经糖酵解产生的丙酮酸，可以经丙酮酸脱羧酶催化，脱羧生成乙醛，在醇脱氢酶催化下，乙醛被NADH还原成乙醇。

总反应：Glc+2pi+2ADP+2H+→2乙醇+2CO2+2ATP+2H2在厌氧条件下能产生乙醇的微生物，如果有氧存在时，则会通过乙醛的氧化生成乙酸，制醋。

巴斯德效应（ Pasteur effect）：有氧氧化抑制生醇发酵（或糖酵解）的现象4.进行糖异生5.合成氨基酸（七）其它单糖进入糖酵解途径糖原降解产物G-1-P，D-果糖，D-半乳糖，D-甘露糖均转化为糖酵解的中间物。

第二节糖的异生作用糖异生作用(gluconeogenesis)是指非糖物质如生糖氨基酸、乳酸、丙酮酸及甘油等转变为葡萄糖或糖原的过程。

糖异生的最主要器官是肝脏。

糖异生起源于细胞线粒体内。

由丙酮酸生成Glc是糖异生的主要途径。

一、糖异生反应过程糖异生反应过程基本上是糖酵解反应的逆过程。

由于糖酵解过程中由己糖激酶、6-磷酸果糖激酶1及丙酮酸激酶催化的三个反应释放了大量的能量，构成难以逆行的能障，因此这三个反应是不可逆的。

①Glc到G-6-P ，②F-6-P到F-1.6-P ③PEP到丙酮酸。

这三个反应可以分别通过相应的、特殊的酶催化，使反应逆行，完成糖异生反应过程。

(一)丙酮酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸的反应包括丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化的两步反应，构成一条所谓“丙酮酸羧化支路”使反应进行。

这个反应是糖酵解过程中丙酮酸激酶催化的磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸的逆过程。

1. 丙酮酸羧化生成草酰乙酸（线粒体内）此反应由丙酮酸羧化酶催化，辅酶是生物素，ATP、Mg2+（Mn2+）参与羧化反应，CO2通过生物素使丙酮酸羧化生成草酰乙酸。

此酶存在于线粒体中，故丙酮酸必须进入线粒体才能被羧化为草酰乙酸，这也是体内草酰乙酸的重要来源之一。

丙酮酸羧化酶还催化三羧酸循环的回补反应，所以，草酰乙酸既是糖异生的中间物，又是三羧酸循环的中间物，丙酮酸羧化酶联系着三羧酸循环和糖异生作用。

丙酮酸羧化酶是别构酶，受乙酰CoA和高比值ATP/ADP的激活。

若细胞内ATP含量高，则三羧酸循环的速度降低，糖异生作用加强。

2．草酰乙酸脱羧生成磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）（线粒体内）此反应由磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化，由GTP提供能量，释放CO2。