第七章 糖代谢

第七章糖代谢第一节糖代谢总论第二节双糖和多糖的酶促降解第三节糖酵解（EMP）作用第四节三羧酸循环（TCA）第五节戊糖磷酸途径

(phosphopentose

pathway,PPP)第六节糖的合成代谢第一节糖代谢总论（P63）糖代谢包括分解代谢和合成代谢。

动物和大多数微生物所需的能量，主要是由糖的分解代谢提供的。另一方面，糖分解的中间产物，又为生物体合成其它类型的生物分子，如氨基酸、核苷酸和脂肪酸等，提供碳源或碳链骨架。植物和某些藻类能够利用太阳能，将二氧化碳和水合成糖类化合物，即光合作用。光合作用将太阳能转变成化学能（主要是糖类化合物），是自然界规模最大的一种能量转换过程。第Ⅰ阶段，有机物分解为它们的组成前体物质。第Ⅱ阶段，小的燃料分子分解为几种常见的中间物，主要是丙酮酸和乙酰-CoA，可放出少量能量。第Ⅲ阶段，由一条途径组成，即Krebs循环，又叫柠檬酸循环或三羧酸（TCA）循环。中间物被完全氧化成CO2，生成的电子传递给NAD+并释放少量能量，其中的中间物又可作为生物合成的原料。第Ⅳ阶段，包括电子传递和氧化磷酸化，电子传递给O2，H2O生成，释放的大量能量用于ATP的生成。丙酮酸糖酵解第二节双糖和多糖的酶促降解一、蔗糖，麦芽糖和乳糖的酶促降解1.蔗糖的水解蔗糖+UDPUDPG+果糖蔗糖+H2O葡萄糖+果糖（转化酶）蔗糖合成酶蔗糖酶UDPG?尿苷二磷酸葡萄糖（P183）2.麦芽糖的水解麦芽糖+H2O2葡萄糖3.乳糖的水解（P163）

乳糖+H2O葡萄糖+半乳糖麦芽糖酶乳糖酶或β-半乳糖苷酶二、淀粉（糖原）的酶促降解

1、淀粉的酶促水解水解淀粉的淀粉酶有α与β淀粉酶，二者只能水解淀粉中的α-1，4糖苷键，水解产物为麦芽糖。α-淀粉酶可以水解淀粉（或糖原）中任何部位的α-1，4糖苷键。β淀粉酶只能从非还原端开始水解。水解淀粉中的α-1，6糖苷键的酶是脱支酶（R酶）。淀粉水解的产物为糊精和麦芽糖的混合物。还原末端非还原末端α-1，4糖苷键α-1，6糖苷键2、淀粉的磷酸解

淀粉+nH3PO4G-1-P淀粉磷酸化酶淀粉磷酸化酶催化α-1，4葡聚糖非还原末端的葡萄糖残基转移给正磷酸，产生G-1-P，同时产生的一个新的非还原末端又重复上述磷酸解过程。NoATPneeded!3、糖原的磷酸解（P181）磷酸化酶H3PO4极限糊精转移酶H2O脱支酶α-1，4糖苷键非还原端+葡萄糖+51-磷酸葡萄糖α-1，4糖苷键α-1，6糖苷键磷酸化酶、糖原脱支酶和糖基转移酶的协同作用Abifunctionaldebranchingenzymeaidsthephosphorylaseindegradingglycogen第三节糖酵解（glycolysis）（P63）TheDevelopmentofBiochemistryandtheDelineationofGlycolysisWentHandbyHandIn1897,EduardBuchner(Germany),accidentalobservation:sucrose(asapreservative)wasrapidlyfermentedintoalcoholbycell-freeyeastextract.Theacceptedviewthatfermentationisinextricablytiedtolivingcells(i.e.,thevitalisticdogma)wasshakenandBiochemistrywasborn:Metabolismbecamechemistry!In1900s,

ArthurHarden

and

WilliamYoung(GreatBritain)foundthatPiisneededforyeastjuicetofermentglucose,ahexose

diphosphate(fructose1,6-bisphosphate)wasisolated.Theyalsoseparatedtheyeastjuiceintotwofractions:oneheat-labile,nondialyzable

zymase(enzymes)andtheotherheat-stable,dialyzablecozymase(metalions,ATP,ADP,NAD+).1910s-1930s,GustavEmbdenandOttoMeyerhof(Germany),studiedmuscleanditsextracts:Reconstructedallthetransformationstepsfromglycogentolacticacidinvitro;revealedthatmanyreactionsoflacticacid(muscle)andalcohol(yeast)fermentationswerethesame!DiscoveredthatlacticacidisreconvertedtocarbohydrateinthepresenceofO2(gluconeogenesis);observedthatsomephosphorylatedcompoundsareenergy-rich.Thewholepathwayofglycolysis(fromglucosetopyruvate)waselucidatedbythe1940s.一、糖酵解的概念在无氧条件下，葡萄糖进行分解，形成2分子丙酮酸并提供能量的过程。是一切生物有机体中普遍存在的葡萄糖降解的途径。又称Embden-Meyerhof–Parnas途径，简称EMP途径碳水化合物进入酵解途径的前奏除葡萄糖以外，其他碳水化合物通过酵解进入分解代谢，必须首先转变为酵解途径的任一中间物。最重要的是贮存多糖（淀粉和糖元）、二糖（麦芽糖、乳糖、蔗糖、海藻糖）及单糖（果糖、甘露糖、半乳糖）。糖原和淀粉通过相应的磷酸化酶、磷酸葡萄糖变位酶生成G-6-P进入酵解。其他单糖可形成多个分支点的中间物进入酵解。场所：细胞质第一阶段：已糖的磷酸化第二阶段：磷酸已糖的裂解第三阶段：ATP及丙酮酸的生成在每一阶段中，又包含若干反应二、EMP途径的生化历程糖酵解概述糖酵解概述磷酸果糖激酶（PFK）是变构酶,该步反应是糖酵解关键步骤ATP抑制,AMP解除抑制柠檬酸也是一种变构抑制剂果糖2,6-二磷酸是变构激活剂低的能量状态(ATP浓度小)激活PFK高的能量状态(ATP浓度高抑制PFK)糖酵解第一阶段糖酵解第一阶段糖酵解第二阶段3-磷酸甘油醛无机磷酸3-磷酸甘油醛脱氢酶1,3-二磷酸甘油酸6.3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸糖酵解二步能量贮存的第一步可逆反应糖酵解第二阶段3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶糖酵解第二阶段

3-磷酸甘油酸变位生成2-磷酸甘油酸通过磷酸甘油酸变位酶催化糖酵解第二阶段9.2-磷酸甘油酸脱水变位为磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）通过烯醇化酶催化脱水反应使分子内能量重新分布2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸烯醇化酶Substrate-levelphosphorylationforATPgeneration糖酵解第二阶段磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸10.磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的磷酰基转移给ADP生成ATP

通过丙酮酸激酶催化第2次底物磷酸化反应不可逆丙酮酸激酶糖酵解第二阶段①~

⑤通过消耗2个ATP使1分子6碳糖裂解为2分子3碳糖⑥~

⑩产生2分子丙酮酸、2分子NADH和4分子ATP从酵解中净产生2分子ATP1摩尔葡萄糖酵解所产生的ATP摩尔数反应ATP摩尔数的增减葡萄糖6-磷酸葡萄糖-16-磷酸果糖1,6-二磷酸果糖-11，3-二磷酸甘油酸

3-磷酸甘油酸（+1）×2磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸（+1）×2每摩尔葡萄糖净增ATP摩尔数+2AnetgainoftwoATP,twoNADH,twomoleculesofpyruvateareresultedwhenaglucosemoleculeisoxidizedviatheglycolysispathway:

Glucose+2ADP+2Pi+2NAD+ 2pyruvate+2ATP+2H2O+2NADH+2H+

G'o=-146kJ/mol三、丙酮酸的去路1）无氧条件下，丙酮酸转变为乳酸。2）无氧条件下，丙酮酸转变为乙醛，进而生成乙醇。3）有氧条件下，丙酮酸氧化脱羧生成乙酰-CoA，进入三羧酸循环，氧化供能（乙酰-CoA在能量状态高的情况下可用于合成脂类物质）。4)丙酮酸作为其他物质合成的前体（如Ala）。Namedforthereversereaction（1）PyruvateisreducedtolactatewhenO2lacksinareactioncatalyzedbylactatedehydrogenase酮体磷酸肌酸肌酸

DifferentrolesofmuscleandliveringlucosemetabolismMuscleconsumesglucose,usingitforenergyproduction.Liverproducesanddistributesglucose,forothertissues,maintainingaconstantbloodglucoselevel.PresentonlyinthosealcoholfermentativeorganismsPresentinmanyorganisms,includinghuman（2）Pyruvatecanbereducedtoethanolinsomemicroorganisms四、糖酵解的调控化学反应历程（10步反应、10种酶）1.已糖激酶

2.磷酸葡萄糖异构酶3.磷酸果糖激酶

4.醛缩酶5.磷酸丙糖异构酶6.磷酸甘油醛脱氢酶7.磷酸甘油酸激酶8.变位酶9.烯醇化酶10.丙酮酸激酶糖酵解有二重作用：一是降解产生ATP，二是产生含碳的中间物为合成反应提供原料。在酵解过程中有三个不可逆反应，也就是说有三个调控步骤，分别被三个酶多点调节：己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶。己糖激酶可以控制葡萄糖的进入，丙酮酸激酶调节酵解的出口。1、磷酸果糖激酶是最重要的调节酶，是限速酶。1）AMP是该酶的别构激活剂，ATP是该酶的别构抑制剂。2）受柠檬酸，脂肪酸抑制3）受果糖-2，6-二磷酸的调节磷酸果糖激酶是一种别构酶，是哺乳动物糖酵解途径最重要的调控酶，由4个亚基组成。ATP/AMP的比例关系对此酶有调节作用。pH下降时，H+对该酶有抑制作用。防止乳酸的继续形成，有利于避免酸中毒。柠檬酸

2、已糖激酶

别构抑制剂为其产物6-磷酸葡萄糖3、丙酮酸激酶

受高浓度ATP，丙氨酸，乙酰CoA等代谢物的抑制，这是生成物对反应本身的反馈抑制。SummaryGlucoseisacommonlyusedfuelandversatileprecursorinalmostallorganisms.Thestudyofglucosedegradationhasarichhistoryinbiochemistry(especiallyforenzymology，酶学).Glucoseisfirstconvertedintotwothree-carbonpyruvateviatheten-stepglycolysispathwaywithoutdirectlyconsumingO2andwithanetproductionoftwoATPmoleculesbysubstrate-levelphosphorylation.Limitedamountofenergycanbereleasedbyoxidizingglucoseunderanaerobicconditionsbyfermentation.第四节三羧酸循环有氧氧化：大多数生物的主要代谢途径EMP

Pyr

TCA

Pyr(丙酮酸)脱羧TCA（三羧酸循环）又称Krebs循环；在动植物、微生物细胞中普遍存在；不仅是糖分解代谢的主要途径，也是脂肪、蛋白质分解代谢的最终途径。可衍生许多其他物质肝脏中糖的去路①糖有氧氧化a.糖酵解（胞液）b.丙酮酸氧化脱羧（线粒体）c.三羧酸循环（线粒体）d.氧化磷酸化（线粒体）②磷酸戊糖途径（胞液）③转化为脂肪④输出血液⑤糖原合成有氧氧化概述有氧氧化概述丙酮酸去路乳酸发酵乙醇发酵氨基化生成丙氨酸氧化脱羧生成乙酰CoA3C2C(CH3CO-CoA)

产生CO2

产生NADH+H+一、丙酮酸氧化脱羧—乙酰CoA的生成基本反应：

糖酵解生成的丙酮酸可穿过线粒体膜进入线粒体内室。在丙酮酸脱氢酶系的催化下，生成乙酰辅酶A。Oxidativedecarboxylation丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶复合体三个酶复合体：①E1：丙酮酸脱氢酶，焦磷酸硫胺素（TPP）②E2：二氢硫辛酰转乙酰基酶，硫辛酸，（CoA-SH）③E3：二氢硫辛酸脱氢酶，NAD+，FAD泛酸（pantothenicacid）和辅酶A（coenzymeA）SHS-C-RO泛酸巯基乙胺3',5'-ADP,-二羟基--二甲基丁酸-丙氨酸酰基CoA系列（如乙酰CoA）具有很高的酰基转移势能硫辛酸硫辛酸乙酰化型二氢硫辛酰转乙酰酶功能为传送乙酰基（或其他酰基，或者氢）结合于蛋白质上的硫辛酸象“摆动臂”一样，可以将电子和酰基从复合体中的一个酶传送到另一个酶。亚砷酸可与硫辛酸巯基结合！二、乙酰CoA的彻底氧化分解——

三羧酸循环(Tricarboxylic

acidcycle,TCA)包括合成，加水，脱氢，脱羧等多步反应。

Acetyl-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O

2CO2+3NADH+FADH2+GTP+2H++CoA三羧酸循环草酰乙酸柠檬酸异柠檬酸a-酮戊二酸琥珀酸辅酶A琥珀酸延胡索酸苹果酸乙酰辅酶A柠檬酸合酶顺乌头酸酶异柠檬酸脱氢酶α-酮戊二酸脱氢酶系琥珀酸硫激酶琥珀酸脱氢酶延胡索酸酶苹果酸脱氢酶2CO2Oxidativedecarboxylation三羧酸循环总结一轮三羧酸循环的总结算三羧酸循环中的酶

丙酮酸脱氢酶系1.柠檬酸合酶2.顺乌头酸酶3.异柠檬酸脱氢酶4.α-酮戊二酸脱氢酶系

5.琥珀酰-CoA合成酶或称琥珀酰-CoA硫激酶6.琥珀酸脱氢酶

7.延胡索酸酶8.苹果酸脱氢酶TCA中间产物的消耗与补充TCA中间产物的消耗与补充TCA是物质代谢的枢纽TCA的调控

丙酮酸羧化支路（回补途径）三羧酸循环不仅是产生ATP的途径，它产生的中间产物也是生物合成的前体。例如卟啉的主要碳原子来自琥珀酰CoA，谷氨酸、天冬氨酸是从α-酮戊二酸、草酰乙酸衍生而成。一旦草酰乙酸浓度下降，势必影响三羧酸循环的进行。回补反应丙酮酸+HCO3+ATP草酰乙酸+ADP+Pi

肝、肾丙酮酸羧化酶+CO2+ADP

草酰乙酸+GTP心、骨骼肌+HCO3-草酰乙酸+Pi高等植物、酵母、细菌丙酮酸+HCO3-+NAD(P)H苹果酸+NAD(P)+

广泛存在于原核和真核生物中磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶PEP羧化酶磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸天冬氨酸及谷氨酸的转氨作用可以形成草酰乙酸和α-酮戊二酸。异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸也会形成琥珀酰CoA。反应将在氨基酸代谢中讲述。生物素在羧化反应中起着重要作用生物素-酶

第五节磷酸戊糖途径（phosphopentose

pathway，PPP

）

糖酵解和三羧酸循环是机体内糖分解代谢的主要途径，但不是唯一途径。实验研究表明：在组织中添加酵解抑制剂如碘乙酸或氟化物等，葡萄糖仍可以被消耗，这说明葡萄糖还有其它的代谢途径。许多组织细胞中都存在有另一种葡萄糖降解途径，即磷酸戊糖途径（pentosephosphatepathway,PPP），也称为磷酸己糖旁路（hexose

monophosphatepathway/shunt,HMP）。参与磷酸戊糖途径的酶类都分布在动物细胞浆中，动物体中约有30%的葡萄糖通过此途径分解。

一、磷酸戊糖途径的反应过程磷酸戊糖途径可分为两个阶段：葡萄糖的直接氧化脱羧非氧化的分子重排。（1）G-6-P脱氢脱羧转化成5-磷酸核酮糖。H2O脱氢水解脱羧（2）磷酸戊糖的异构化

（3）磷酸戊糖通过转酮及转醛反应生成酵解途径的中间产物6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛。

OHH-C-OHH-C-OHH-C-OHCH2OP+CHOH-C-OHCH2OPCHOH-C-OHH-C-OHCH2OPCH2OHC=OHO-C-HH-C-OHH-C-OHCH2OP+转醛醇酶7-磷酸景天庚酮糖3-磷酸甘油醛4-磷酸赤藓糖6-磷酸果糖CH2OHC=OHO-C-HCH2OHHO-C-HH-C-OHCH2OPCHOH-C-OHH-C-OHCH2OPCHOH-C-OHCH2OPCH2OHC=OHO-C-HH-C-OHH-C-OHCH2OP++转酮醇酶3-磷酸甘油醛4-磷酸赤藓糖3-磷酸木酮糖6-磷酸果糖C=OCH2OHC=OHO-C-HH-C-OHH-C-OHCH2OPCHOH-C-OHHO-C-HH-C-OHH-C-OHCH2OP磷酸已糖异构酶6-磷酸果糖6-磷酸葡萄糖Theregenerationofsix-carbonglucose-6-Pfromfive-carbonribose-5-Pinthepentosephosphatepathway(nonoxidative)二、磷酸戊糖途径的化学计量与生物学意义从6分子6-磷酸葡萄糖开始，经两次脱氢氧化及脱羧后，放出6分子CO2，生成6分子5-磷酸核酮糖。在非氧化阶段反应中，6分子5-磷酸核酮糖经C3，

C4，

C5，

C7等糖中间代谢物，最后转化成5分子6-磷酸葡萄糖。经6次循环，1分子6-磷酸葡萄糖被分解而产生6个CO2

。氧化阶段：6×6-磷酸葡萄糖+12NADP++6H2O6×5-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H+非氧化重排阶段：6×5-磷酸核酮糖+H2O5×6

-磷酸葡萄糖+H3PO4总反应式为：6-磷酸葡萄糖+12NADP++7H2O6CO2+12NADPH+12H++

H3PO4磷酸戊糖途径的生物学意义1）产生大量的NADPH，为细胞的各种合成反应提供还原力。GSSG+NADPH+H+2GSH+NADP+2）磷酸戊糖途径的中间产物为许多化合物的合成提供原料。是细胞内不同结构糖分子的重要来源。3）非氧化重排阶段的一系列中间产物及酶类与光合作用中卡尔文循环的大多数中间产物和酶相同，因而磷酸戊糖途径可与光合作用联系起来，并实现某些单糖间的互变（参见P221

）。谷胱甘肽还原酶三、磷酸戊糖途径的调节

肝脏中的各种戊糖途径的酶中以6-磷酸葡萄糖脱氢酶的活性最低，所以它是戊糖途径的限速酶，催化不可逆反应步骤。最重要的调控因子是NADP+的水平。形成的NADPH与NADP+争相与酶的活性部位结合从而引起酶活性的降低。即其活性受NADP+/NADPH比值的调节。机体内NAD+/NADH比NADP+/NADPH的比值要高几个数量级，前者为700，后者为0.014，这使NADHP可以进行有效的反馈抑制调控。只有NADPH在脂肪的生物合成中被消耗时才能解除抑制，再通过6-磷酸葡萄糖脱氢酶产生出NADPH。

非氧化阶段戊糖的转变主要受控于底物浓度。5-磷酸核糖过多时，可转化成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛进行酵解。第六节糖的合成代谢糖异生是指从非糖物质合成葡萄糖的过程。非糖物质包括丙酮酸、乳酸、生糖氨基酸、甘油等均可以在哺乳动物的肝脏中转变为葡萄糖或糖原。这一过程基本上是糖酵解途径的逆过程，但具体过程并不是完全相同，因为在酵解过程中有三步是不可逆的反应，而在糖异生中要通过其它的旁路途径来绕过这三步不可逆反应，完成糖的异生过程。一、糖异生的证据及其生理意义用整体动物做实验，禁食24小时，大鼠肝脏中的糖原由7%降低到1%，饲喂乳酸、丙酮酸或三羧酸循环代谢的中间物后可以使大鼠肝糖原增加。根皮苷是一种从梨树茎皮中提取的有毒的糖苷，它能抑制肾小管将葡萄糖重吸收进入血液中，这样血液中的葡萄糖就不断的由尿中排出。当给用根皮苷处理过的动物饲喂三羧酸循环中间代谢物或生糖氨基酸后，这些动物尿中的糖含量增加。糖尿病人或切除胰岛的动物，他们从氨基酸转化成糖的过程十分活跃。当摄入生糖氨基酸时，尿中糖含量增加。

1.糖异生的证据如下：糖异生作用是一个十分重要的生物合成葡萄糖的途径。红细胞和脑是以葡萄糖为主要燃料的，成人每天约需要160克葡萄糖，其中120克用于脑代谢，而糖原的贮存量是很有限的，所以需要糖异生来补充糖的不足。在饥饿或剧烈运动造成糖原下降后，糖异生能使酵解产生的乳酸、脂肪分解产生的甘油以及生糖氨基酸等中间产物重新生成糖。这对维持血糖浓度，满足组织对糖的需要是十分重要的。2.糖异生的生理意义糖异生可以促进脂肪氧化分解供应能量，当体内糖供应不足时，机体会大量动员脂肪分解，此时会产生过多的酮体（乙酰乙酸、β-羟丁酸、丙酮），而酮体则必须经过三羧酸循环才能彻底氧化，此时糖异生对维持三羧酸循环的正常进行起主要作用。一咸一酸,丙酮背他抢丁酸糖异生作用的总反应式如下：2丙酮酸+4ATP+2GTP+2NADH+2H++4H2O葡萄糖+2NAD++4ADP