第四章-糖代谢

第四章糖代谢 温州医学院生化教研室李春洋 677249 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 糖在生命过程中的主要作用是提供碳源和能源 人体所需能量的50 70 来自于糖 食物中的糖类主要是淀粉 体内的主要以葡萄糖和糖原两种形式存在 糖与一些非糖物质结合成复合物成为体内一些具有重要的生理功能的物质 如 糖蛋白 糖脂 蛋白聚糖 核糖 脱氧核糖 等 葡萄糖在体内转变成多种非糖物质 一些非糖物质又可以转变为葡萄糖 第一节糖的消化吸收及转运 糖的主要生理功能是氧化供能糖的消化吸收主要在小肠进行糖代谢的概况 植物淀粉 异麦芽糖 麦芽糖 麦芽三糖 临界糊精 动物糖原 蔗糖 乳糖 食物 葡萄糖 半乳糖 葡萄糖 果糖 第二节糖的无氧氧化 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亦称为糖的无氧氧化 这个代谢过程常见于运动时的骨骼肌 与某些植物和微生物的乙醇发酵 葡萄糖分解产生的丙酮酸转变为乙醇和二氧化碳 的过程非常相似 糖酵解的代谢反应中由葡萄糖分解成丙酮酸的过程 又称为糖酵解途径 是糖的有氧氧化和无氧氧化共有的过程 其全部反应均在胞浆中进行 一 反应过程 第一阶段 糖酵解途径 1分子葡萄糖分解成2分子丙酮酸 第二阶段 乳酸生成 丙酮酸还原成乳酸 己糖激酶 ATP ADP Mg2 6 磷酸果糖激酶 1 ATP ADP Mg2 磷酸己糖异构酶 磷酸丙糖异构酶 NAD NADH H Pi ADP ATP H2O 烯醇化酶 Mg2 K ATP ADP 丙酮酸激酶 3 磷酸甘油醛脱氢酶 磷酸甘油酸激酶 磷酸甘油酸变位酶 除葡萄糖外 己糖激酶等可催化果糖 半乳糖等其他己糖转变成磷酸己糖而进入糖酵解途径代谢转化 NADH H NAD 乳酸脱氢酶 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 磷酸二羟丙酮 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 糖酵解的调节 6 磷酸果糖激酶 1对调节糖酵解途径的流量最重要丙酮酸激酶是糖酵解的第二个重要的调节点己糖激酶受到反馈抑制调节 三 糖酵解的生理意义 主要的生理功能是在机体缺氧时迅速提供能量正常情况下为一些细胞提供部分能量1mol葡萄糖经过糖酵解可净生成2molATP储存起来 其储存效率为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 净得 第三节糖的有氧氧化 机体利用氧将葡萄糖彻底氧化成CO2和H2O的反应过程称为有氧氧化 有氧氧化是体内糖分解供能的主要方式 绝大多数细胞都通过它获得能量 肌组织中葡萄糖通过无氧氧化所生成的乳酸 也可作为运动时某些组织的重要能源 彻底氧化生成CO2和H2O提供足够的能量 有氧氧化过程概括 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 第一阶段 线粒体 第二阶段 第三阶段 一 有氧氧化反应过程 一 葡萄糖循糖酵解途径分解为丙酮酸 二 丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA 三 乙酰CoA进入柠檬酸循环以及氧化磷酸化生成ATP FADH2 丙酮酸脱氢酶 二氢硫辛酰胺转乙酰酶 二氢硫辛酰胺脱氢酶 CO2 二 柠檬酸循环 柠檬酸循环也称为三羧酸循环是由线粒体内一系列酶促反应构成的循环反应系统 该循环是HansKrebs于1937年正式提出 亦称为Krebs循环 柠檬酸循环反应过程中 首先以乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成含3个羧基的柠檬酸 再经过4次脱氢 2次脱羧 生成4分子还原当量和2分子CO2 最终重新生成草酰乙酸再进入下一个循环 还原当量一般是指以氢原子或氢离子形式存在的一个电子或一个电子当量 H20 柠檬酸合酶 H20 H20 NADH H NAD CO2 异柠檬酸脱氢酶 戊二酸脱氢酶复合体 NADH H NAD CO2 Pi GDP GTP 琥珀酰CoA合成酶 琥珀酸脱氢酶 FAD FADH2 延胡索酸酶 H2O NADH H NAD 苹果酸脱氢酶 NAD NAD HS CoA CH3COS CoA HS CoA 柠檬酸合酶 顺乌头酸酶 异柠檬酸脱氢酶 酮戊二酸脱氢酶复合体 琥珀酰CoA合成酶 琥珀酸脱氢酶 延胡索酸酶 苹果酸脱氢酶 三羧酸循环反应过程 柠檬酸循环是乙酰辅酶 的彻底氧化过程 也是能量的产生过程同位素示踪实验显示 在柠檬酸循环中 CO2中的碳原子来自于草酰乙酸柠檬酸循环中的中间产物起着催化剂的作用 二 柠檬酸循环的重要生理意义 柠檬酸循环是三大营养物质分解产能的共同通路三羧酸循环本身并不是释放能量 生成ATP的主要环节 而是为氧化磷酸化反应生成ATP提供NADH H 和FADH2柠檬酸循环是糖 脂肪 氨基酸代谢联系的枢纽三大营养物质通过柠檬酸循环在一定程度上相互转变三羧酸循环在提供某些物质生物合成前体中起重要作用 葡萄糖 6 磷酸葡萄糖 胞质内反应阶段 线粒体内反应阶段 1 净生成32 或30 ATP 三 糖有氧氧化是糖分解生成ATP的主要方式 四 糖有氧氧化的调节是基于能量的需求 丙酮酸脱氢酶复合体的调节柠檬酸循环的调节 五 糖有氧氧化可抑制糖无氧氧化 巴斯德效应是指在有氧的条件下 糖有氧氧化抑制糖无氧酵解 肌组织也存在这种情况 在一些代谢旺盛的正常组织和肿瘤细胞中 即使在有氧的条件下 仍然以糖无氧酵解为产生 的主要方式 称为Cratree效应或反巴斯德效应 第四节葡萄糖磷酸戊糖途径 磷酸戊糖途径是指从糖酵解的中间产物葡萄糖 6 磷酸开始形成旁路 通过氧化 基团转移两个阶段生成果糖 6 磷酸和3 磷酸甘油醛 从而返回糖酵解的代谢途径 亦称为磷酸戊糖旁路 葡萄糖经磷酸戊糖途径分解的主要意义在于产生参与体内合成代谢所需要的NADPH H 和5 磷酸核糖 而不是产生ATP 磷酸戊糖途径在肝 脂肪组织 肾上腺皮质 红细胞和哺乳期乳腺中较活跃 反应的全过程都在细胞液中进行 一 葡萄糖磷酸戊糖途径的反应过程 第一阶段 氧化反应阶段 磷酸核糖的生成 第二阶段 非氧化反应阶段 基团转移反应 6 磷酸葡萄糖 6 磷酸葡萄糖酸内酯 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 磷酸赤藓糖 7 磷酸景天糖 6 磷酸果糖 3 磷酸甘油醛 葡萄糖分解途径 6 磷酸葡萄糖脱氢酶 内酯酶 转酮醇酶 转醛醇酶 磷酸戊糖途径反应过程 转酮醇酶 二 葡萄糖磷酸戊糖途径的生理意义 提供NADPH H 作为供氢体参与多种代谢反应NADPH H 是体内许多合成代谢的供氢体 NADPH H 参与体内的羟化反应 NADPH H 用于维持谷胱甘肽的还原状态 蚕豆病 为核苷酸 核酸的生物合成提供5 磷酸核糖肌肉组织内磷酸核糖依靠基团转移反应生成 第五节糖原合成与糖原分解 糖原是动物体内葡萄糖的储存形式 摄入的糖类大部分转变成脂肪后储存于脂肪组织内 另有一小部分以糖原的形式储存在肝和肌肉组织中 糖原生物学意义在于迅速提供葡萄糖 主要以肝糖原和肌糖原形式存在 肝糖原的合成与分解主要是为了维持血糖浓度的相对恒定 肌糖原是肌肉糖酵解的主要来源 糖原是以葡萄糖残基为基本单位通过 1 4 糖苷键和 1 6 糖苷键连接而成的带有分支的大分子多糖 一 糖原合成 一 糖链的延长 二 糖链分支的形成 葡糖磷酸变位酶 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 糖原从分支的非还原端开始 逐个分解以 1 4 糖苷键连接的葡萄糖残基 形成1 磷酸葡萄糖 1 磷酸葡萄糖转变为6 磷酸葡萄糖后 肝及肾中含有葡萄糖 6 磷酸酶 使其水解变成游离的葡萄糖 释放到血中 维持血糖浓度的相对恒定 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 糖原合成与分解 三 糖原合成与分解的调节 磷酸化酶 有磷酸化和去磷酸化两种形式 当其14位丝氨酸被磷酸化后 活性很低的磷酸化酶 磷酸化酶b 转弯成活性很强的磷酸型磷酸化酶 磷酸化酶a 磷酸化过程由磷酸化酶b激酶催化 糖原合酶 糖原合酶也有两种形式 糖原合酶a有活性 磷酸化后的糖原合酶b无活性 激素 胰高血糖素 肾上腺素等 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 胰岛素 磷蛋白磷酸酶抑制物 1 二 糖原合酶的调节 一 糖原磷酸化酶的调节 葡萄糖 Ca2 AMP ATP G 6 P 第六节糖异生作用 以非糖物质 如生糖氨基酸 乳酸 丙酮酸及甘油等 为原料 在酶的作用下将其转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖异生 机体内进行糖异生补充血糖的最主要器官是肝 肾在正常情况下葡糖异生能力只有肝的1 10 长期饥饿时肾葡糖异生能力大大增强 一 糖异生作用的反应过程 从丙酮酸生成葡萄糖的具体反应过程称为糖异生途径 糖异生途径基本上是糖酵解反应的逆反应 也包括部分三羧酸循环的逆反应 在糖酵解途径中 由于己糖激酶 6 磷酸果糖激酶 1和丙酮酸激酶催化的反应不可逆 因此 要完成葡萄糖酵解的逆反应 必须使这三步反应能逆向进行 一 丙酮酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸 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 基质侧 胞液侧 线粒体内膜 苹果酸 草酰乙酸 NADH H NAD 草酰乙酸 苹果酸 NADH H NAD 苹果酸脱氢酶 草酰乙酸 天冬氨酸 谷氨酸 酮戊二酸 谷草转氨酸 酮戊二酸 草酰乙酸 天冬氨酸 谷氨酸 谷草转氨酸 苹果酸脱氢酶 二 1 6 二磷酸果糖转变为6 磷酸果糖 果糖 1 6 二磷酸酶 1 三 6 磷酸葡萄糖转变为葡萄糖 葡萄糖 6 磷酸酶 反应中作用物的互相转变是由不同的酶催化的单向的不可逆反应 这种作用的互变循环称为底物循环 相同活性的两种酶催化作用的结果只是消耗能量而不能推进反应的时行 形成所谓的无效循环 二 糖异生作用的调节 一 果糖 6 磷酸与1 6 二磷酸果糖之间的底物循环的调节 二 磷酸烯醇式丙酮酸与丙酮酸之间的底物循环的调节 三 糖异生作用的生理意义 维持血糖浓度的相对恒定糖乳酸再利用补充肝糖原储备 三碳途径或间接途径 缓解酸中毒 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 糖酵解途径 糖异生途径 葡萄糖 6 磷酸葡萄糖 3 磷酸甘油醛 丙酮酸 乙酰CoA 三羧酸循环 乳酸 1 磷酸葡萄糖 6 磷酸果糖 5 磷酸核糖 糖原 第七节血糖及其调节 一 血糖的来源和去路 食物中糖 肝糖原 非糖物质 乳酸 甘油 氨基酸等 CO2 H2O 能量 肝 肌糖原 其他糖 戊糖等 非糖物质 脂肪 非必需氨基酸等 消化吸收 氧化分解 糖原合成 分解 糖异生 其他代谢途径 转变 二 血糖浓度的调节 1 胰岛素调节血糖的作用机制促进肌 脂肪组织等的细胞膜摄取葡萄糖增强磷酸二酯酶活性 降低cAMP浓度 加速糖原合成 抑制糖原分解激活丙酮酸脱氢酶 脱磷酸 加快糖的有氧氧化抑制肝内糖异生 抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的合成及促进进入肌组织生成蛋白质 抑制脂肪动员并抑制脂肪氧化生成葡萄糖 2 胰高血糖素调节血糖的作用机制 经肝细胞膜受体激活依赖cAMP的蛋白激酶 从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