第9章 糖异生

1、糖是有机体重要的能源和碳源。糖是有机体重要的能源和碳源。 动物和大多数微生物所需的能量，主要是由糖的分解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。另方面，糖分解的中间产物，又为生物代谢提供的。另方面，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。肪酸等，提供碳源或碳链骨架。 糖代谢包括分解代谢和合成代谢。糖的分解代谢包括糖代谢包括分解代谢和合成代谢。糖的分解代谢包括 糖酵解糖酵解糖的共同分解途径；三羧酸循环糖的共同分解途径；三羧酸循环糖的糖的 最后氧化途径。糖的合成代谢包括

2、糖原异生最后氧化途径。糖的合成代谢包括糖原异生非糖非糖 物质形成糖的途径，糖原的合成，结构多糖的合成等物质形成糖的途径，糖原的合成，结构多糖的合成等 。糖的中间代谢途径还有磷酸戊糖途径，糖醛酸途径。糖的中间代谢途径还有磷酸戊糖途径，糖醛酸途径 等。等。 第九章第九章 糖代谢糖代谢 一、多糖和低聚糖的酶水解一、多糖和低聚糖的酶水解 二糖在酶作用下，能水解成单糖。主要的二糖酶为蔗糖二糖在酶作用下，能水解成单糖。主要的二糖酶为蔗糖 酶、半乳糖酶和麦芽糖酶。这三种酶广泛存在于人及动酶、半乳糖酶和麦芽糖酶。这三种酶广泛存在于人及动 物的小肠液和微生物中。物的小肠液和微生物中。 蔗糖酶：它的作用是将蔗糖水

3、解成蔗糖酶：它的作用是将蔗糖水解成D-D-葡萄糖和葡萄糖和D-D-果糖。果糖。 半乳糖酶：它能将乳糖水解为半乳糖酶：它能将乳糖水解为D-D-葡萄糖和葡萄糖和D-D-半乳糖。半乳糖。 麦芽糖酶：其作用是将麦芽糖水解成麦芽糖酶：其作用是将麦芽糖水解成D-D-葡萄糖。葡萄糖。 1 1二糖的酶水解二糖的酶水解 2 2淀粉的酶水解淀粉的酶水解 淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成。淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成。 直链淀粉是由直链淀粉是由 -D-D-葡萄糖分子通过葡萄糖分子通过 -1,4-1,4-糖糖 苷键连接而成的链状化合物。苷键连接而成的链状化合物。 支链淀粉是由多个直链淀粉通过支链淀粉是由多个直链淀粉通过1

4、,6-1,6-糖苷键连糖苷键连 接而成的树枝状多糖。能够水解淀粉的酶称为接而成的树枝状多糖。能够水解淀粉的酶称为 淀粉酶。淀粉酶。 淀粉水解酶淀粉水解酶 - -淀粉酶：它是一种内切酶，以随机方式水解淀粉酶：它是一种内切酶，以随机方式水解 -1,4-1,4- 糖苷键，能将淀粉切断成分子量较小的糊精。糖苷键，能将淀粉切断成分子量较小的糊精。 - -淀粉酶：它是仅作用于链的末端单位。它从链的非淀粉酶：它是仅作用于链的末端单位。它从链的非 还原性末端开始，每次切下两个葡萄糖单位麦芽糖还原性末端开始，每次切下两个葡萄糖单位麦芽糖 。 葡萄糖淀粉酶：它是一种外切酶，能够将淀粉链端基葡萄糖淀粉酶：它是一种外

5、切酶，能够将淀粉链端基 葡萄糖水解下来。最终可以将淀粉完全水解成葡萄糖葡萄糖水解下来。最终可以将淀粉完全水解成葡萄糖 。 -1,6-1,6-糖苷酶（脱支酶）：是一种能水解糖苷酶（脱支酶）：是一种能水解 -1,6-1,6-糖苷糖苷 键的淀粉酶。键的淀粉酶。 淀粉和糖原在细胞内的降解淀粉和糖原在细胞内的降解 主要经磷酸化酶的磷酸解作用生成葡萄糖主要经磷酸化酶的磷酸解作用生成葡萄糖-1-1-磷酸磷酸 。 磷酸化酶作用于糖原分子的非还原端，连续释放磷酸化酶作用于糖原分子的非还原端，连续释放 G-1-P,G-1-P,直到在分支点以前还有直到在分支点以前还有4 4各葡萄糖残基为止各葡萄糖残基为止 ，寡聚，

6、寡聚1,41,41,41,4葡聚糖转移酶主要是将以葡聚糖转移酶主要是将以1,6-1,6-键键 连接于分支点的连接于分支点的4 4个残基的葡三糖转移至另一链的个残基的葡三糖转移至另一链的 非还原端使其延长，而在分支点处还留有一个非还原端使其延长，而在分支点处还留有一个 1,6-1,6-键葡萄糖残基由脱支酶水解。键葡萄糖残基由脱支酶水解。 3 3纤维素的酶水解纤维素的酶水解 纤维素是由纤维素是由 -D-D-葡萄糖通过葡萄糖通过 -1, 4-1, 4-糖苷键连糖苷键连 接而成的长链大分子。纤维素酶能特异性地水接而成的长链大分子。纤维素酶能特异性地水 解解 -1, 4-1, 4-糖苷键，最终将纤维素水

7、解成葡萄糖苷键，最终将纤维素水解成葡萄 糖。糖。 人和动物的消化系统中不能分泌出纤维素酶，人和动物的消化系统中不能分泌出纤维素酶， 所以不能直接利用纤维素作为食物。反刍动物所以不能直接利用纤维素作为食物。反刍动物 （牛，羊等）的消化道中含有某些微生物，这（牛，羊等）的消化道中含有某些微生物，这 些微生物能分泌出纤维素酶，因此反刍动物能些微生物能分泌出纤维素酶，因此反刍动物能 利用纤维素作为食物。利用纤维素作为食物。 二 糖原的合成代谢 蔗糖的合成 淀粉的合成 糖原的合成 糖原的异生作用 1. 蔗糖的合成 蔗糖合成酶途径 G-1-P+UTPUDPG+Ppi UDPG+果糖蔗糖+UDP 蔗糖磷酸合

8、成酶途径 UDPG+果糖-6-P 蔗糖磷酸+UDP 蔗糖磷酸蔗糖H3PO4 2. 淀粉的合成 -1,4-糖苷键的形成 nUDPG+引物nUDP+ (-1,4-葡萄糖)n 支链淀粉的形成 Q酶催化-1,4-糖苷键转换为-1,6-糖苷 键 3. 糖原的合成 G-1-P在UDPG焦磷酸化酶催化下生成 UDPG。 在糖原合成酶的催化下，UDPG将葡萄 糖残基加到糖原引物非还原端形成-1,4- 糖苷键 在分枝酶的催化下，将-1,4-糖苷键转换 为-1,6-糖苷键 4. 糖原的异生作用 糖原异生作用：许多非糖物质如甘油、 丙酮酸、乳酸以及某些氨基酸等能在肝 脏中转变为糖原，称糖原异生作用。 各类非糖物质转

9、变为糖原的具体步骤基 本上按酵解逆行过程进行 要克服三个激酶催化的三个不可逆反应 异生：异生：非糖非糖物质物质合成合成糖原糖原或糖原或糖原。 部位：部位：肝脏肝脏 提问：提问：哪些物质可以转变成G或糖原？ 答案：答案：凡能转变成糖代谢中间产物的物质凡能转变成糖代谢中间产物的物质。 包括包括 有机酸：有机酸：乳酸、丙酮酸，乳酸、丙酮酸，TAC中各种羧酸中各种羧酸 甘油甘油 生糖氨基酸生糖氨基酸 糖异生：糖异生： 非糖化合物非糖化合物（如乳酸、甘油、生糖氨（如乳酸、甘油、生糖氨 基酸等）在基酸等）在肝脏肝脏中酶的作用下转变为中酶的作用下转变为葡萄糖葡萄糖 或糖原或糖原的过程的过程。 糖异生糖异生途

10、径途径： 从从丙酮酸丙酮酸生成生成葡萄糖葡萄糖的具体反应过程。的具体反应过程。 乳乳 酸酸葡萄糖：糖异生葡萄糖：糖异生 丙酮酸丙酮酸葡萄糖：糖葡萄糖：糖异生异生途径途径 葡萄糖葡萄糖丙酮酸：糖丙酮酸：糖酵解酵解途径途径 葡萄糖葡萄糖乳乳 酸：糖酵解酸：糖酵解 * * 过程过程 酵解途径中有酵解途径中有3个由关键酶催化的不个由关键酶催化的不 可逆反应可逆反应。在糖异生时，须由另外。在糖异生时，须由另外 的反应和酶代替。的反应和酶代替。 糖异生途径与酵解途径大多数反应糖异生途径与酵解途径大多数反应 是共有的、可逆的；是共有的、可逆的； Glu G-6-P F-6-P F-1,6-2P ATP AD

11、P ATP ADP 1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 丙酮酸丙酮酸 磷酸二磷酸二 羟丙酮羟丙酮 3-磷酸磷酸 甘油醛甘油醛 NAD+ NADH+H+ ADP ATP ADP ATP 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 乳酸乳酸 已糖激酶 6-磷酸果糖 激酶-1 丙酮酸激酶 三个不可逆三个不可逆 反应反应 糖异生糖异生 第第1 1步步 丙酮酸丙酮酸 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 提问提问：如何进行？：如何进行？ 丙酮酸 磷酸烯醇式丙酮酸 3 COOH CO CH CO CH2 COOH COOH 丙酮酸丙酮酸 草酰乙酸草酰乙酸 COOH 3

12、CH C OP 磷酸烯醇式磷酸烯醇式 丙酮酸丙酮酸 提问提问：这里这里的作用是什么？的作用是什么？ 能量载体能量载体 合成的合成的草酰乙酸新草酰乙酸新COOH中储存了中储存了ATP水解的键能，水解的键能， 脱碳时损失的键能相对较少。脱碳时损失的键能相对较少。 O OH OH CH2CH2OHO P P F-6-P PP O OH OH CH2CH2OO P F-1,6-2P 果糖果糖16-二磷酸酶二磷酸酶 葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸酶磷酸酶 第第1步步 第第2步步 第第3步步 草酰草酰 乙酸乙酸 丙酮酸羧丙酮酸羧化化酶酶 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 羧羧激激酶酶 丙酮酸丙酮酸 草酰乙酸草

13、酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸（磷酸烯醇式丙酮酸（PEP） PEP 苹果酸苹果酸 苹果酸苹果酸 草酰乙酸草酰乙酸 天冬氨酸天冬氨酸 天冬氨酸天冬氨酸 草酰乙酸草酰乙酸 (胞液胞液) ( (线粒体线粒体) ) 羧激酶羧激酶 NAD+ NADH+H+ NADH+H+ NAD+ 3-磷酸甘油激酶 3-磷酸甘油脱氢酶 葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸酶磷酸酶 第第1步步 第第2步步 第第3步步 草酰草酰 乙酸乙酸 丙酮酸羧丙酮酸羧化化酶酶 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 羧羧激激酶酶 果糖果糖16-二磷酸酶二磷酸酶 葡萄糖异生作用的调节葡萄糖异生作用的调节 高浓度的G-6-P 可抑制已糖激酶，活化葡萄糖-6-磷

14、酸 酶从而抑制酵解，促进了糖异生。 果糖-1,6-二磷酸酶是糖异生的关键酶，果糖磷酸激酶 是糖酵解的关键调控酶。ATP抑制后者，激活前者。 柠檬酸对果糖磷酸激酶也有抑制作用。果糖-2,6-二磷 酸是调节两酶活性的强效应物。当葡萄糖含量丰富时， 激素调节使果糖-2,6-二磷酸增加，从而激活果糖磷酸 激酶活性，并强烈抑制果糖-1,6-二磷酸活性，从而加 速酵解，减弱糖异生。 丙酮酸羧化酶是糖异生的另一个调节酶，其活性受乙 酰辅酶A和ATP激活，受ADP抑制。 糖酵解速度也受丙酮酸激酶的调控，ATP、丙氨酸、 NADH对该酶活性有抑制作用，对果糖-1,6-二磷酸酶 则有激活作用。 葡萄糖异生作用的调

15、节葡萄糖异生作用的调节 糖酵解作用糖酵解作用 果糖果糖-6-磷酸磷酸 糖异生作用糖异生作用 磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶 果糖果糖1.6-1.6-二磷酸酶二磷酸酶 果糖果糖-1-1、6-6-二磷酸二磷酸 PEP 丙酮酸丙酮酸 草酰乙酸草酰乙酸 丙酮酸激酶丙酮酸激酶 丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶 PEPPEP羧激酶羧激酶 G G F-2F-2、6BP6BP AMPAMP ATPATP 柠檬酸柠檬酸 H+H+ 活化活化 抑制抑制 F-1F-1、6BP6BP活化活化 ATPATP ALaALa 抑制抑制 F-2F-2、6BP6BP AMPAMP 柠檬酸活化柠檬酸活化 抑制抑制 ADPADP抑制抑制 乙酰乙酰

16、CoACoA活化活化 ADPADP抑制抑制 - - 脱磷酸化的酶脱磷酸化的酶 （激酶（激酶2 2活性）活性） （酯酶（酯酶2 2活性）活性） F-6-P F-2、6-BP 具有一条肽链的酶蛋白，由于某些氨基酸具有一条肽链的酶蛋白，由于某些氨基酸 的磷酸化和脱磷酸化使之具有两种酶活性的磷酸化和脱磷酸化使之具有两种酶活性 ，这种酶称双功能酶。，这种酶称双功能酶。 果糖果糖-2-2、6-6-二磷酸合成与降解的调控二磷酸合成与降解的调控 血糖低血糖低- - 胰高血糖素释放胰高血糖素释放- - cAMPcAMP级联作用级联作用- - 蛋白磷酸化。蛋白磷酸化。 血糖高血糖高-胰岛素释放胰岛素释放- - F

17、-2F-2、6-BP6-BP多多 磷酸化的酶磷酸化的酶 糖异生与糖酵解作用的相互调节：糖异生与糖酵解作用的相互调节： 1 1、磷酸果糖激酶（、磷酸果糖激酶（PFKPFK）和果糖）和果糖-1-1、6-6-二磷酸酶的调节：二磷酸酶的调节： 当当AMPAMP水平高时，表明需要水平高时，表明需要ATPATP， PFKPFK激活，增加激活，增加糖酵解，由糖酵解，由 于于果糖果糖-1-1、6-6-二磷酸酶二磷酸酶受抑制，则糖受抑制，则糖异生关闭。当异生关闭。当ATP和柠檬酸和柠檬酸 水平高时，水平高时， PFKPFK受抑制，降低受抑制，降低糖酵解的速率，柠檬酸糖酵解的速率，柠檬酸增加增加果糖果糖- - 1

18、 1、6-6-二磷酸酶二磷酸酶活性，从而增加糖活性，从而增加糖异生速率。异生速率。 当饥饿时，由于血糖水平低，激素当饥饿时，由于血糖水平低，激素胰高血糖素释放，引起胰高血糖素释放，引起cAMPcAMP 的级联作用，的级联作用， 使酶蛋白磷酸化（使酶蛋白磷酸化（FBPase2FBPase2活化），降低活化），降低F-2F-2、6-6- BPBP；当进食时，；当进食时，血糖水平较高，激素血糖水平较高，激素胰岛素释放，使胰岛素释放，使F-2F-2、6-BP6-BP 增加，激活增加，激活PFKPFK，加速，加速酵解；同时酵解；同时F-2F-2、6-BP6-BP的增加抑制的增加抑制果糖果糖-1-1、 6

19、-6-二磷酸酶活性，二磷酸酶活性，使糖使糖异生作用受抑制。异生作用受抑制。 2 2、丙酮酸激酶、丙酮酸羧化酶和、丙酮酸激酶、丙酮酸羧化酶和PEPPEP羧激酶的调节：羧激酶的调节： 高水平的高水平的ATPATP和和AlaAla抑制抑制丙酮酸激酶丙酮酸激酶，从而抑制糖酵解；由，从而抑制糖酵解；由 于该情况下乙酰于该情况下乙酰CoACoA亦是充裕的，则活化亦是充裕的，则活化丙酮酸羧化酶，丙酮酸羧化酶，有助于有助于 糖异生的进行。反之，在细胞供能状态较低时，糖异生的进行。反之，在细胞供能状态较低时，ADPADP水平较高，水平较高， 则抑制则抑制丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶和和PEPPEP羧激酶羧激酶，关闭

20、糖异生作用。，关闭糖异生作用。 丙酮酸激酶丙酮酸激酶被被F-1F-1、6BP6BP活化（前馈激活），即需要活化（前馈激活），即需要糖酵解加糖酵解加 速时该酶的活性被提高。速时该酶的活性被提高。 当饥饿时，由于血糖水平低，激素当饥饿时，由于血糖水平低，激素胰高血糖素释放，引起胰高血糖素释放，引起 cAMPcAMP的级联作用，使的级联作用，使丙酮酸激酶丙酮酸激酶发生磷酸化，从而失去活性，发生磷酸化，从而失去活性， 抑制抑制糖酵解。糖酵解。 糖异生与糖酵解作用的相互调节：糖异生与糖酵解作用的相互调节： 糖异生与糖酵解作用的紧密相互调节防止了糖异生与糖酵解作用的紧密相互调节防止了 二者共同进行时的无效

21、循环。二者共同进行时的无效循环。 维持血糖浓度恒定： 保证某些主要依赖葡萄糖供能的组织的功能具有重要 意义 补充肝糖原 机体摄入的葡萄糖先分解为丙酮酸、乳酸等三碳化合 物，后者再异生成糖原的途径称为三碳途径，也称之 为间接途径 调节酸碱平衡 葡萄糖葡萄糖 丙酮酸丙酮酸 乳酸乳酸 葡萄糖葡萄糖 丙酮酸丙酮酸 乳酸乳酸 葡萄糖葡萄糖 NADH NAD+ NADH NAD+ 糖糖酵解酵解途径途径 糖糖异生异生途径途径 乳酸乳酸 肝肝 血液血液 肌肉肌肉 概念：肌收缩（尤其是氧供应不足时）通过糖酵 解产生乳酸，因为肌肉内糖异生活性低，所以乳酸 通过细胞膜弥散进入血液后，再入肝，在肝内异生 为葡萄糖，葡

22、萄糖入血后又可被肌肉摄取，这就构 成了一个循环，成为乳酸循环，也叫Cori循环。 意义：在于避免损失乳酸及防止乳酸堆积引 起酸中毒。 血糖的血糖的来源和去路来源和去路 血糖水平的血糖水平的调节调节 血糖水平血糖水平异常异常 血糖血糖：指血液中的葡萄糖。指血液中的葡萄糖。 正常值正常值：人空腹静脉血含葡萄糖人空腹静脉血含葡萄糖3.89 6.11mmol/L 血糖含量维持一定水平，对于保证人体各组血糖含量维持一定水平，对于保证人体各组 织器官特别是织器官特别是脑组织脑组织的正常机能活动极为重要。的正常机能活动极为重要。 血糖水平保持恒定是糖、脂肪、氨基酸代谢 协调的结果，也是肝、肌肉、脂肪组织等各

23、 器官组织代谢协调的结果。 机体的各种代谢以及各器官之间能这样精确 协调，以适应能量、燃料供求的变化。 主要依靠激素的调节，酶水平的调节是最基 本的调节方式和基础： 降低血糖：降低血糖： 1. 1. 促进葡萄糖转运入细胞内。促进葡萄糖转运入细胞内。 2. 2. 通过调节糖原代谢的关键酶，加速糖原合成，通过调节糖原代谢的关键酶，加速糖原合成， 抑制糖原分解抑制糖原分解. . 3. 3. 通过诱导糖酵解途径的关键酶，激活丙酮酸脱通过诱导糖酵解途径的关键酶，激活丙酮酸脱 氢酶而加快糖的氧化分解过程。氢酶而加快糖的氧化分解过程。 4. 4. 抑制肝内糖异生。抑制肝内糖异生。 5. 5. 抑制脂肪动员，

24、增加葡萄糖利用，促进葡萄糖抑制脂肪动员，增加葡萄糖利用，促进葡萄糖 转变成脂肪转变成脂肪 。 胰高血糖素胰高血糖素 升高血糖，机制：升高血糖，机制： 通过调节糖原代谢的关键酶，抑制糖原合成，促进通过调节糖原代谢的关键酶，抑制糖原合成，促进 糖原分解糖原分解 。 通过抑制关键酶活性，抑制糖酵解途径，减少糖的通过抑制关键酶活性，抑制糖酵解途径，减少糖的 氧化。氧化。 促进磷酸烯醇型丙酮酸羧激酶合成，并加速肝摄取促进磷酸烯醇型丙酮酸羧激酶合成，并加速肝摄取 氨基酸原料，加强糖异生。氨基酸原料，加强糖异生。 通过加速脂肪动员，生成的大量脂肪酸可抑制周通过加速脂肪动员，生成的大量脂肪酸可抑制周 围组织摄

25、取利用葡萄糖。围组织摄取利用葡萄糖。 升高血糖，增加肝糖原。作用机制：升高血糖，增加肝糖原。作用机制： 1. 促进肌肉蛋白质分解，产生的氨基酸促进肌肉蛋白质分解，产生的氨基酸 转移到肝进行糖异生转移到肝进行糖异生 2. 抑制肝外组织摄取和利用葡萄糖，抑制肝外组织摄取和利用葡萄糖， 抑制点为丙酮酸的氧化脱羧。抑制点为丙酮酸的氧化脱羧。 3. 使其他促进脂肪动员的激素发挥最大效果使其他促进脂肪动员的激素发挥最大效果 强有力的升高血糖激素，在应激状态下发挥作强有力的升高血糖激素，在应激状态下发挥作 用。用。 作用机制：作用机制： 通过肝和肌肉的细胞膜受体、通过肝和肌肉的细胞膜受体、cAMP 、蛋白激、蛋白激 酶级联激活磷酸化酶，加速糖原分解。酶级联激活磷酸化酶，加速糖原分解。 高血糖高血糖(hyperglycemia ） 空腹血糖浓度高于空腹血糖浓度高于7.227.78 mmol/L称为高血糖。称为高血糖。 当血糖浓度高于当血糖浓度高于8.89 10.00 mmol/L（肾糖阈），超过（肾糖阈），超过 肾小管的重吸收能力，可出现糖尿。肾小管的重吸收能力，可出现糖尿。 糖尿病糖尿病(diabetes mellitus) 持续性高血糖和糖尿，特别是空腹血糖和糖耐量曲线高持续性高血糖和糖尿，特别是空腹血糖和糖耐量曲线高 于正常范围，主要见于糖尿病