第四章糖代谢

第四章糖代谢 Metabolism of Carbohydrates 长沙医学院李子博

第一节概述

糖的化学 • 糖的概念糖(carbohydrates)即碳水化合物，其化学本质为多羟醛或多羟酮类及其衍生物或多聚物。

一、糖的主要生理功能是氧化供能 • 糖在生命活动中的主要作用是提供碳源和能源。 • 提供合成体内其他物质的原料。如糖可提供合成某些氨基酸、脂肪、胆固醇、核苷等物质的原料。 • 作为机体组织细胞的组成成分。如糖是糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂等的组成成分。

二、糖的分类及其结构 根据其水解产物的情况，糖主要可分为以下四大类: • 单糖 (monosacchride) • 寡糖 (oligosacchride) • 多糖 (polysacchride) • 结合糖 (glycoconjugate)

单糖——不能再水解的糖。 葡萄糖(glucose) （已醛糖）果糖(fructose) （已酮糖）

寡糖能水解生成几分子单糖的糖，各单糖之间借脱水缩合的糖苷键相连。常见的几种二糖有：麦芽糖 (maltose)：葡萄糖 — 葡萄糖蔗糖 (sucrose)：葡萄糖 — 果糖乳糖 (lactose)：葡萄糖 — 半乳糖

多糖——能水解生成多个分子单糖的糖。 常见的多糖有：淀粉 (starch) 糖原 (glycogen) 纤维素 (cellulose)

淀粉——是植物中养分的储存形式。 淀粉颗粒

糖原——是动物体内葡萄糖的储存形式。

纤维素——作为植物的骨架。 β-1,4-糖苷键

结合糖——糖与非糖物质的结合物。 常见的结合糖有：糖脂 (glycolipid)：是糖与脂类的结合物。糖蛋白 (glycoprotein)：是糖与蛋白质的结合物。

三、糖的消化吸收主要是在小肠进行 • 糖的消化人类食物中的糖主要有植物淀粉、动物糖原以及麦芽糖、蔗糖、乳糖、葡萄糖等，其中以淀粉为主。 • 消化部位：主要在小肠，少量在口腔。

消化过程： 淀粉口腔唾液中的α-淀粉酶胰液中的α-淀粉酶肠腔 α-临界糊精+异麦芽糖（30%）（5%）麦芽糖+麦芽三糖（40%）（25%）肠粘膜上皮细胞刷状缘 α-葡萄糖苷酶 α-临界糊精酶葡萄糖

食物中含有的大量纤维素，因人体内无-糖苷酶而不能对其分解利用，但却具有刺激肠蠕动等作用，也是维持健康所必需。食物中含有的大量纤维素，因人体内无-糖苷酶而不能对其分解利用，但却具有刺激肠蠕动等作用，也是维持健康所必需。

糖的吸收 • 吸收部位：小肠上段 • 吸收形式：单糖

Na+泵 • 吸收机制：小肠粘膜细胞门静脉肠腔 K+ ATP ADP+Pi Na+ G 刷状缘细胞内膜 Na+依赖型葡萄糖转运体 (Na+-dependent glucose transporter, SGLT)

SGLT 小肠肠腔肠粘膜上皮细胞门静脉 GLUT 体循环肝脏各种组织细胞四、糖代谢的概况 • 葡萄糖转运进入细胞这一过程依赖于葡萄糖转运体(glucose transporter，GLUT)。

ATP 肝糖原分解糖原合成消化与吸收糖异生途径糖原 H2O及CO2 磷酸戊糖途径酵解途径有氧核糖 + NADPH+H+ 丙酮酸葡萄糖无氧乳酸淀粉乳酸、氨基酸、甘油

第二节糖的无氧分解 Glycolysis

在机体缺氧条件下，葡萄糖经一系列酶促反应生成丙酮酸进而还原生成乳酸的过程称为糖酵解(glycolysis)，亦称糖的无氧氧化(anaerobic oxidation)。糖酵解的反应部位：胞浆。

一、糖无氧氧化反应过程分为酵解途径和乳酸生成两个阶段一、糖无氧氧化反应过程分为酵解途径和乳酸生成两个阶段 • 糖酵解分为两个阶段： • 第一阶段：由葡萄糖分解成丙酮酸(pyruvate)，称之为糖酵解途径(glycolytic pathway)。 • 第二阶段：由丙酮酸转变成乳酸。

Glu ATP ADP G-6-P F-6-P ATP ADP F-1,6-2P ATP ADP 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛 Mg2+ 己糖激酶 (hexokinase) NAD+ NADH+H+ 1,3-二磷酸甘油酸 ADP 6-磷酸葡萄糖 (glucose-6-phosphate, G-6-P) ATP 葡萄糖 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸 ADP ATP 丙酮酸（一）葡萄糖经酵解途径分解为两分子丙酮酸 • 葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖

哺乳类动物体内已发现有4种己糖激酶同工酶，分别称为Ⅰ至Ⅳ型。肝细胞中存在的是Ⅳ型，称为葡萄糖激酶(glucokinase)。哺乳类动物体内已发现有4种己糖激酶同工酶，分别称为Ⅰ至Ⅳ型。肝细胞中存在的是Ⅳ型，称为葡萄糖激酶(glucokinase)。 • 它的特点是：①对葡萄糖的亲和力很低；②受激素调控。 • 这些特性使葡萄糖激酶在维持血糖水平和糖代谢中起着重要的生理作用。

Glu ATP ADP G-6-P F-6-P ATP ADP F-1,6-2P 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛己糖异构酶 NAD+ NADH+H+ 1,3-二磷酸甘油酸 ADP 6-磷酸果糖 (fructose-6-phosphate, F-6-P) ATP 6-磷酸葡萄糖 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸 ADP ATP 丙酮酸 • 6-磷酸葡萄糖转变为 6-磷酸果糖

Glu ATP ADP G-6-P F-6-P ATP ADP F-1,6-2P 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛 ATPADP Mg2+ NAD+ 6-磷酸果糖激酶-1 NADH+H+ 1,3-二磷酸甘油酸 ADP 1,6-双磷酸果糖(1, 6-fructose-biphosphate, F-1,6-2P) 6-磷酸果糖 ATP 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸 ADP ATP 丙酮酸 • 6-磷酸果糖转变为1,6-双磷酸果糖 • 6-磷酸果糖激酶-1(6-phosphfructokinase-1)

Glu ATP ADP G-6-P F-6-P ATP ADP 磷酸二羟丙酮 F-1,6-2P 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛 + 醛缩酶 (aldolase) NAD+ NADH+H+ 1,3-二磷酸甘油酸 ADP ATP 3-磷酸甘油醛 1,6-双磷酸果糖 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸 ADP ATP 丙酮酸 • 磷酸己糖裂解成2分子磷酸丙糖

Glu ATP ADP G-6-P F-6-P ATP ADP F-1,6-2P 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛磷酸丙糖异构酶 (phosphotriose isomerase) NAD+ NADH+H+ 3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮 1,3-二磷酸甘油酸 ADP ATP 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸 ADP ATP 丙酮酸 • 磷酸丙糖的同分异构化

Glu ATP ADP G-6-P F-6-P ATP ADP F-1,6-2P Pi、NAD+ NADH+H+ 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛 3-磷酸甘油醛脱氢酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase) NAD+ NADH+H+ 1,3-二磷酸甘油酸 1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油醛 ADP ATP 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸 ADP ATP 丙酮酸 • 3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸

Glu 在以上反应中，底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程，称为底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)。 ATP ADP G-6-P F-6-P ATP ADP F-1,6-2P ADP ATP 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛磷酸甘油酸激酶 (phosphoglycerate kinase) NAD+ 1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 NADH+H+ 1,3-二磷酸甘油酸 ADP ATP 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸 ADP ATP 丙酮酸 • 1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸

Glu ATP ADP G-6-P F-6-P ATP ADP F-1,6-2P 磷酸甘油酸变位酶(phosphoglycerate mutase) 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛 NAD+ 3-磷酸甘油酸 NADH+H+ 2-磷酸甘油酸 1,3-二磷酸甘油酸 ADP ATP 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸 ADP ATP 丙酮酸 • 3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸

Glu ATP ADP G-6-P F-6-P ATP ADP F-1,6-2P 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛 +H2O NAD+ 烯醇化酶 (enolase) NADH+H+ 1,3-二磷酸甘油酸 ADP ATP 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸 (phosphoenolpyruvate, PEP) 2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸 ADP ATP 丙酮酸 • 2-磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸

Glu ATP ADP G-6-P F-6-P ATP ADP F-1,6-2P ADP 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛 ATP K+ Mg2+ NAD+ 丙酮酸激酶 (pyruvate kinase) NADH+H+ 1,3-二磷酸甘油酸 ADP ATP 磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸 ADP ATP 丙酮酸 • 磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸，并通过底物水平磷酸化生成ATP

（二）丙酮酸转变成乳酸 NADH + H+ NAD+ 乳酸脱氢酶 (Lactate dehydrogenase, LDH) 丙酮酸乳酸反应中的NADH+H+来自于上述第6步反应中的3-磷酸甘油醛脱氢反应。

Glu G-6-P F-6-P F-1, 6-2P ATP ADP ATP ADP 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛 E1:己糖激酶 NAD+ E2: 6-磷酸果糖激酶-1 NADH+H+ 1,3-二磷酸甘油酸 E3: 丙酮酸激酶 ADP ATP 3-磷酸甘油酸乳酸 NAD+ 2-磷酸甘油酸 NADH+H+ ATP ADP 丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 E1 E2 糖酵解的代谢途径 E3

反应部位：胞浆； 糖酵解是一个不需氧的产能过程；反应全过程中有三步不可逆的反应： ATP ATP ADP ADP ADP ATP G G-6-P 己糖激酶 F-6-P F-1,6-2P 磷酸果糖激酶-1 PEP 丙酮酸丙酮酸激酶糖酵解小结

产能的方式和数量 方式：底物水平磷酸化净生成ATP数量：从G开始 2×2-2= 2ATP 从Gn开始 2×2-1= 3ATP 终产物乳酸的去路释放入血，进入肝脏再进一步代谢：分解利用乳酸循环（糖异生）

半乳糖 半乳糖激酶 1-磷酸半乳糖 Glu 甘露糖 ATP ADP 己糖激酶 G-6-P 1-磷酸葡萄糖变位酶 6-磷酸甘露糖变位酶 F-6-P ATP 己糖激酶果糖 ADP F-1,6-2P 丙酮酸除葡萄糖外，其它己糖也可转变成磷酸己糖而进入酵解途径。

二、糖酵解的调控是对3个关键酶活性的调节 ①己糖激酶 ②6-磷酸果糖激酶-1 ③丙酮酸激酶 ① 别构调节 ② 共价修饰调节关键酶调节方式

（一）6-磷酸果糖激酶-1对调节酵解途径的流量最重要（一）6-磷酸果糖激酶-1对调节酵解途径的流量最重要 • 变构调节 • 别构激活剂：AMP; ADP; F-1,6-2P; F-2,6-2P • 别构抑制剂：柠檬酸; ATP（高浓度）

ATP对6-磷酸果糖激酶-1的调节：

2,6-双磷酸果糖是6-磷酸果糖激酶-1最强的变构激活剂；2,6-双磷酸果糖是6-磷酸果糖激酶-1最强的变构激活剂；其作用是与AMP一起取消ATP、柠檬酸对6-磷酸果糖激酶-1的变构抑制作用。 • 2,6-双磷酸果糖对6-磷酸果糖激酶-1的调节：

AMP 柠檬酸胰高血糖素 – + ATP cAMP 6-磷酸果糖激酶-2 PFK-2 （有活性） FBP-2 （无活性） ATP 活化 F-2,6-2P 果糖双磷酸酶-2 Pi P P ADP PFK-2 （无活性） FBP-2 （有活性） –/+ Pi + + – + + AMP 柠檬酸 F-6-P PKA 磷蛋白磷酸酶 ATP PFK-1 ADP F-1,6-2P

（二）丙酮酸激酶是糖酵解的第二个重要的调节点（二）丙酮酸激酶是糖酵解的第二个重要的调节点 • 别构调节 • 别构激活剂：1,6-双磷酸果糖 • 别构抑制剂：ATP, 丙氨酸

P PKA, CaM激酶胰高血糖素 • 共价修饰调节磷蛋白磷酸酶 Pi 丙酮酸激酶丙酮酸激酶（有活性）（无活性） ATP ADP PKA：蛋白激酶A (protein kinase A) CaM：钙调蛋白

（三）己糖激酶受到反馈抑制调节 • 6-磷酸葡萄糖可反馈抑制己糖激酶，但肝葡萄糖激酶不受其抑制。 • 长链脂肪酰CoA可别构抑制肝葡萄糖激酶。 • 胰岛素可诱导葡萄糖激酶基因的转录，促进酶的合成。

三、糖酵解的主要生理意义是在机体缺氧的情况下快速供能三、糖酵解的主要生理意义是在机体缺氧的情况下快速供能 • 是机体在缺氧情况下获取能量的有效方式。 • 是某些细胞在氧供应正常情况下的重要供能途径。 ① 无线粒体的细胞，如：红细胞 ② 代谢活跃的细胞，如：白细胞、骨髓细胞

第三节糖的有氧氧化Aerobic Oxidation ofCarbohydrate

概念糖的有氧氧化(aerobic oxidation)指在机体氧供充足时，葡萄糖彻底氧化成H2O和CO2，并释放出能量的过程。是机体主要供能方式。 • 部位：胞液及线粒体

一、糖有氧氧化的反应过程包括糖酵解途径、丙酮酸氧化脱羧、三羧酸循环及氧化磷酸化一、糖有氧氧化的反应过程包括糖酵解途径、丙酮酸氧化脱羧、三羧酸循环及氧化磷酸化 CO2 NADH+H+ FADH2 G（Gn）胞液第一阶段：酵解途径丙酮酸第二阶段：丙酮酸的氧化脱羧乙酰CoA 第三阶段：三羧酸循环线粒体第四阶段：氧化磷酸化 TAC循环 [O] H2O ATP ADP

第四章 糖 代 谢