有机化学 第九章 糖代谢

1、第九章 糖代谢第一节 糖代谢概况Introdution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。单糖 (monosacchride) 不能再水解的糖：葡萄糖(glucose)果糖(fructose)半乳糖(galactose) 核糖(ribose) 寡糖 (oligosacchride) 能水解生成几分子（10分子以下）单糖的糖，各单糖之间借脱水缩合的糖苷键相连。麦芽糖 (maltose)蔗糖 (sucrose)乳糖 (lactose)多糖 (polysacchride) 能水解生成多个分子单糖的糖。淀粉 (starch)糖原 (glycog

2、en)纤维素 (cellulose) 其中纤维素为-1,4-糖苷键结合糖 (glycoconjugate)糖与非糖物质的结合物。糖脂 (glycolipid)糖蛋白(glycoprotein) 生理功能：氧化供能（主要）提供合成体内其他物质的原料，机体组织细胞组成成分消化吸收在小肠进行 淀粉在口腔中（-唾液淀粉酶），肠腔（胰液中的-唾液淀粉酶）分解成麦芽糖、麦芽三糖再由肠黏膜上皮细胞刷状缘 分泌的葡萄糖苷酶分解，极限糊精和异麦芽糖由极限糊精酶分解。 吸收部位：小肠上段，单糖形式。 小肠黏膜细胞刷状缘Na+和G转运蛋白，再由ATP和Na+泵吧Na+弄出去。间接消耗ATP Na+依赖型葡萄糖转运体

3、(Na+-dependent glucose transporter, SGLT) 然后易化扩散到门静脉，到肝脏，体循环中经由GLUT(葡萄糖转运体glucosetransporter)转运到各组织细胞第二节 葡萄糖的无氧氧化Anaerobic oxidation of glucose几种途径 糖酵解（glycolysis）：一分子葡萄糖裂解为两分子丙酮酸的过程。 乳酸发酵（lactic acid fermentation）：在缺氧条件下，葡萄糖经酵解生成的丙酮酸还原为乳酸(lactate) 。 乙醇发酵（ethanol fermentation）：在某些植物、脊椎动物组织和微生物，酵解产生的

4、丙酮酸转变为乙醇和CO2，如酵母菌。 有氧氧化（aerobic oxidation）在有条件下，需氧生物和哺乳动物组织内的丙酮酸彻底氧化分解为CO2和H2O，即糖的有氧氧化 。糖酵解 由葡萄糖分解成丙酮酸(pyruvate)，称为酵解途径(glycolytic pathway) 1.葡萄糖磷酸化为葡萄糖-6-磷酸酶：己糖激酶（hexokinase）关建酶 需要Mg2+ 反应物：葡萄糖，ATP在六位加上一个磷酸2.G-6-P变为果糖6-磷酸酶：己糖异构酶把己糖异构变为戊糖F-6-P3F-6-P变为F-1,6-二磷酸酶：磷酸果糖激酶-1关键酶,需要Mg2+反应物：F-6-P ATP不可逆，在果糖翘

5、出来的那个C的羟基上面也加上磷酸基。4磷酸己糖裂解成两分子磷酸丙糖 酶：醛缩酶第三个碳和羧基处断裂，两分子差距在羰基和羟基位置换一换，3-磷酸甘油醛在端位。5.磷酸二羟丙酮转化为3-磷酸甘油醛 酶：磷酸丙糖异构酶6.磷酸甘油醛氧化 酶：甘油醛-3-磷酸脱氢酶 反应物：还要Pi、NAD+ 脱下两个氢（一个来自磷酸）醛氧化成羧基7.1,3-二磷酸甘油酸羧基上高能磷酸键断裂 酶：磷酸甘油酸激酶 反应物：ADP注意是可逆的，第一次底物水平磷酸化*8.3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸酶：磷酸甘油酸变位酶把三号位的羟基上的磷转移到二号位羟基上。9.2-磷酸甘油酸变为磷酸烯醇式丙酮酸酶：烯醇化酶，2,3号

6、位C分别脱去一个H和一个OH，之间形成双键，羟基上的磷变成高能磷酸键10.磷酸烯醇式丙酮酸转移高能磷酸基酶：丙酮酸激酶关键酶反应物：K+ Mg2+ ADP不可逆，产生丙酮酸，烯醇式变成酮式第二次底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substrate-level phosphorylation) 。ADP或其他核苷二磷酸的磷酸化作用与底物的脱氢作用直接相偶联的反应 己糖激酶：哺乳动物体内有四种同工酶，肝细胞中的为型，称为葡糖激酶(glucokinase)。特点：对葡萄糖的亲和力很低受激素调控 乳酸生成 由丙酮酸转变为乳酸。以上两步反应都在胞浆。 丙酮酸变为乳酸 酶：乳酸脱氢酶（LDH）反应物：NADH

7、 H+ 酮被还原成羟基啦，两分子丙酮酸消耗两分子NADH+来自于第六步糖酵解小结底物水平磷酸化产能，产生开始个，开始个终产物进入血液，进入肝脏进一步代谢（分解利用或者乳酸循环糖异生）其他糖也可以转变为磷酸己糖进入酵解途径糖酵解调控关键酶：己糖激酶磷酸果糖激酶（决速步）丙酮酸激酶调节方式：别构调节共价修饰磷酸果糖激酶别构调节：激活剂-,-（产物正反馈调节）-,-（效果最强，通过-经过磷酸果糖激酶催化产生，取消别够抑制作用）抑制剂柠檬酸(高浓度在活性中心外别构调节部位结合时，低浓度在活性中心底物结合部位为激活)磷酸果糖激酶的共价修饰：为-果糖双磷酸酶/-磷酸果糖激酶组合成，去磷酸化时-激活，反之-

8、激活。胰高血糖素上升蛋白激酶作用酶磷酸化减少-,-,磷酸果糖激酶活性变低，糖降解速率减慢，血糖浓度升高。丙酮酸激酶别构调节：激活剂,二磷酸果糖抑制剂丙氨酸共价修饰：磷酸化无活性胰高血糖素(蛋白激酶)，钙调蛋白激酶作用下丙酮酸激酶磷酸化己糖激酶的反馈抑制：-磷酸葡萄糖可反馈抑制（肝葡萄糖激酶除外）长链脂肪酰别够抑制肝葡萄糖激酶，胰岛素可诱导葡糖激酶基因转录促进其合成。综合调节：能量调节，能荷：/其下降时磷酸果糖激酶，丙酮酸激酶活性增大，分解供能。能荷上升，活性减低葡萄糖分解减弱。主要生理意义机体缺氧情况下快速供能，缺氧情况下最有效的获能方式。某些细胞正常供氧下也是重要功能途径：无线粒体（红细胞）

9、代谢活跃细胞（白细胞，骨髓细胞）恶性肿瘤（代谢异常，供氧不足，有氧氧化被抑制）肿瘤的效应：正电子发射成像术，注射放射性葡萄糖类似物，高水平糖酵解处聚集最多葡萄糖。第三节 糖的有氧氧化Aerobic oxidation of carbohydrate概论糖的有氧氧化（arobic 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：胞液及线粒体三（四）阶段：糖酵解 丙酮酸氧化脱羧 三羧酸循环 氧化磷酸化丙酮酸进入线粒体-氧化脱羧生成乙酰CoANAD+ HSCoA 丙酮酸和丙酮酸脱氢酶复合体作用下 生成 CO2 NADH+H+ 乙酰

10、CoA丙酮酸脱氢酶复合体组成：HSCoANAD+ E1：丙酮酸脱氢酶 TPP辅酶 E2：二氢硫辛酰胺转乙酰酶 硫辛酸 E3：二氢硫辛酰胺脱氢酶 FAD,NAD+1. Pyr脱羧，co2来自于TPP-酶12. 转移乙酰基，转移到硫辛酰胺酶-2上3. 转移乙酰基，还原成二氢硫辛酰胺，生成乙酰CoA4. 脱氢 从Lip（SH）2上转氢，FADH2-NADH+H+总反应丙酮酸脱氢酶复合体的调节 别构抑制剂：乙酰CoA；NADH；ATP别构激活剂：AMP；ADP；NAD+乙酰CoA / HSCoA­或 NADH / NAD+­时，其活性也受到抑制。这两种情况见于饥饿、大量脂酸被动员利

11、用时，这时糖的有氧氧化被抑制，大多数组织器官利用脂酸作为能量来源以确保脑等重要组织对葡萄糖的需要。 共价修饰：蛋白激酶作用下磷酸化无活性，磷酸酶作用下（胰岛素 Ca2+）复活三羧酸循环三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA）也称为柠檬酸循环。指乙酰CoA和草酰乙酸缩合生成含三个羧基的柠檬酸，反复的进行脱氢脱羧，又生成草酰乙酸，再重复循环反应的过程。 反应部位：线粒体 1. 乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸 2. 柠檬酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸 3. 异柠檬酸氧化脱羧转变为-酮戊二酸 4. -酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA 5. 琥珀酰CoA合成酶催化底物水平磷酸

12、化反应 6. 琥珀酸脱氢生成延胡索酸 7. 延胡索酸加水生成苹果酸 8. 苹果酸脱氢生成草酰乙酸 CH3 CSCoA +3NAD+ FAD+2H2O +ADP +Pi ¾®2CO2+3NADH +3H+FADH2+CoASH +ATP O1.乙酰辅酶a与草酰乙酸缩合成柠檬酸酶：柠檬酸合酶（citrate synthase）关键酶草酰乙酸：COOH-C(=0)-CH2-COOH2.柠檬酸经顺乌头酸变为异柠檬酸酶：顺乌头酸酶易构化反应两步反应。脱水形成有双键的中间产物水合反应使羧基位置从中间移位3.异柠檬酸氧化脱羧变为-酮戊二酸酶：异柠檬酸脱氢酶（Isocitrate dehy

13、drogenase） 关键酶与NAD+反应 氧化脱羧，羟基变酮基去掉两个H（氢来源）4.-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA酶：-酮戊二酸脱氢酶复合体（组成与催化机制与丙酮酸脱氢酶复合体类似）反应物：CoA-SH，NAD+ 氧化脱羧S-CoA接在酮基碳上5.琥珀酰CoA合成酶催化底物水平磷酸化酶：琥珀酰CoA合成酶，琥珀酰CoA的高能硫酯键水解与GDP磷酸化偶联，生成琥珀酸、GTP和辅酶A三羧酸循环中唯一直接生成高能磷酸键的反应反应物：GDP Pi 生成GTP 在核苷二磷酸激酶催化下和ADP反应生成ATP产物：琥珀酸6.琥珀酸脱氢生成延胡索酸酶：琥珀酸脱氢酶 辅酶：FAD三羧酸循环中唯一与内膜结

14、合的酶生成FADH27.延胡索酸加水生成苹果酸酶：延胡索酸酶8.苹果酸脱氢生成草酰乙酸酶：苹果酸脱氢酶H来源：羧基和羧基碳上的氢四次脱氢（3NAD+，1FAD），二次脱羧，两次加水，一次高能键转移CO2的 C来源:一个来自4C草酰乙酸 （OAA），一个来自CH3COSCoA整个循环反应为不可逆反应TAC中的某些中间代谢物能够转变合成其他物质，借以沟通糖和其他物质代谢之间的联系。 草酰乙酸天冬氨酸 -酮戊二酸谷氨酸 柠檬酸可变为脂肪酸 琥珀酰CoA和卟啉机体供糖不足时，苹果酸、草酰乙酸可脱羧生成丙酮酸，再进一步生成乙酰CoA进入TAC氧化分解。 所以，草酰乙酸必须不断被更新补充。草酰乙酸来源：苹

15、果酸，天冬氨酸，柠檬酸（柠檬酸裂解酶），丙酮酸（主要来源）最终来源是葡萄糖TCA调节（底物、产物、关键酶） 底物的供应量，催化循环最初几步反应酶的反馈别构抑制，产物堆积的抑制作用。 上下游反应协调，（糖）酵解途径和TCA循环的速度是相协调的，高浓度ATP NADH抑制及柠檬酸对磷酸果糖激酶-1的别构抑制作用TCA循环中的酶在线粒体中是以多种酶组成的复合体形式存在，这种酶复合体被称为代谢区室（metabolons），它在细胞内能够有效地将代谢中间产物从一种酶传递给另一种酶。这些复合体具有高效介导中间产物流通的功能，因此也可影响代谢的速率。TCA生理意义 3大营养物质代谢中具有重要生理意义3大营养

16、素的彻底氧化的最终代谢通路，糖、脂肪、氨基酸代谢联系的枢纽。 三大营养物质互变 合成生物大分子前体 TCA循环是一条“两用代谢途径”参与合成和分解途径的组成,中间产物是合成糖、脂肪酸和氨基酸的前体(异生为糖，为脂酸合成提供原料，为非必需氨基酸合成提供碳架),添补反应补充TCA循环中间产物 产能：第一阶段 2NADH 2ATP 第二阶段2NADH 6NADH 第三阶段2FADH2 2ATP 产能效率高，能量利用率也高，是机体产能的最主要途径有氧氧化的调节特点 通过对其关键酶的调节实现 ATP/ADP或ATP/AMP比值全程调节（对所有关键酶）2ADP在腺苷酸激酶作用下生成一个ATP一个AMP体内

17、ATP浓度是AMP的50倍，经上述反应后，ATP/AMP变动比ATP变动大，有信号放大作用，从而发挥有效的调节作用。氧化磷酸化速率影响三羧酸循环三羧酸循环与酵解途径互相协调巴斯德效应 巴斯德效应(Pastuer effect) 指有氧氧化抑制糖酵解的现象。 有氧时NADH H+ 进入线粒体，丙酮酸进入线粒体不生成乳酸，缺氧时酵解途径加强， 胞浆中NADH H+浓度升高，丙酮酸才作为氢接受体生成乳酸。第四节 葡萄糖的其他代谢途径Other metabolism oathways of glucose磷酸戊糖途径 磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway)是指由葡萄糖生成磷

18、酸戊糖及NADPH+H+，前者再进一步转变成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖的反应过程。 两个阶段：细胞定位：胞液第一阶段：氧化反应 生成磷酸戊糖，NADPH+H+及CO2。6-磷酸葡萄糖 在6-磷酸葡萄糖脱氢酶 作用下和一份子NADP+反应 一号位脱氢生成NADPH+H+ 和 6-磷酸葡萄糖酸内酯 加水变成6-磷酸葡萄糖酸 ，6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶 作用下一号位脱羧，三号位脱氢变为 5磷酸核酮糖 和NADPH+H+ 异构为5磷酸核糖（二号位羰基转移到一号位酮糖变醛糖）关键酶：6-磷酸葡萄糖脱氢酶第二阶段：非氧化反应 一系列基团转移。第二阶段反应的意义就在于通过一系列基团转移反应，将核糖转变成6-

19、磷酸果糖和3-磷酸甘油醛而进入酵解途径。因此磷酸戊糖途径也称磷酸戊糖旁路（pentose phosphate shunt）3X 6-磷酸葡萄糖 +6NADP+ 2X 6-磷酸果糖 + 3-磷酸甘油醛 + 6NAGPH+ H+ +3CO2 生理意义：生成NADPH+H+（维持谷胱甘肽还原状态，参与体内羟化反应，供氢体）和5-磷酸核糖 且6-磷酸葡萄糖脱氢酶受NADPH/NADP+比值的影响，因此，磷酸戊糖途径的流量取决于NADPH的需求。 糖醛酸途径 糖醛酸途径的主要生理意义在于生成活化的葡萄糖醛酸，即UDPGA。葡萄糖醛酸是组成蛋白聚糖的糖胺聚糖，如透明质酸、硫酸软骨素、肝素等的组成成分。多元

20、醇途径 可生成一些多元醇，如木糖醇(xylitol)、山梨醇(sorbitol)等，所以被称为多元醇途径(polyol pathway)第五节 糖原的合成和分解Glycogenesis and glycogenolysis概述糖 原 (glycogen)是动物体内糖的储存形式之一，是机体能迅速动用的能量储备。 肌肉：肌糖原，主要供肌肉收缩所需肝脏：肝糖原，维持血糖水平 结构特点：以-1,4-糖苷键连接成长链，分支处以-1,6-糖苷键连接（10个一分支，增大溶解度），每条链以一个非还原端终止。 糖原的合成(glycogenesis) 指由葡萄糖合成糖原的过程。在肝脏肌肉细胞的胞浆合成合成途径 1

21、.葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖2.6-磷酸葡萄糖转变成1-磷酸葡萄糖葡萄糖分子C1上的半缩醛羟基活化，利于与原来的糖原分子末端葡萄糖的游离C4羟基缩合。3.1-磷酸葡萄糖转变成尿苷二磷酸葡萄糖UDPG可看作“活性葡萄糖”，在体内充作葡萄糖供体。4.-1,4-糖苷键式结合糖原n 为原有的细胞内的较小糖原分子，称为糖原引物(primer) 糖原合酶是关键酶5.糖原分枝的形成分枝酶剪切-1,4-糖苷键连接成-1,6-糖苷键Glycogenin蛋白可对其自身进行共价修饰，将UDP-葡萄糖分子的C1结合到其酶分子的酪氨酸残基上，从而使它糖基化成为糖原合成时的引物。糖原合成耗能，磷酸化消耗一个ATP，U

22、DPG生成消耗一个UTP 故糖原链增长一个消耗两个ATP。糖原分解 糖原分解(glycogenolysis )习惯上指肝糖原分解成为葡萄糖的过程。位置在胞浆1.糖原的磷酸解关键酶：糖原磷酸化酶2.脱枝酶作用转移葡萄糖残基（把分支上的转移到长链末尾），水解-1,6-糖苷键，最终产物中约85%为1-磷酸葡萄糖，15%为游离葡萄糖（-1,6-糖苷键连接的葡萄糖）3. 1-磷酸葡萄糖转变成6-磷酸葡萄糖酶：磷酸葡萄糖变位酶4. 6-磷酸葡萄糖水解生成葡萄糖酶：葡萄糖-6-磷酸酶肌肉无此酶，所以只有肝和肾可补充血糖；而肌糖原不能分解成葡萄糖，只能进行糖酵解或有氧氧化。 调节 糖原磷酸化酶 共价修饰磷酸化

23、酶b激酶 在 PKA作用下磷酸化 激活 催化磷酸化酶b磷酸化高活性变构调节磷酸化酶a(R） 葡萄糖别构抑制为 磷酸化酶a（T）T型的14位Ser暴露，便于接受前述的共价修饰调节糖原合酶共价修饰PKA催化糖原合酶磷酸化失活（磷蛋白磷酸酶-1催化逆反应）级联调节 放大效应 各级都可调节 1胰高血糖素 生成(催化) 10腺苷酸环化酶 生成 100CAMP 活化 1000蛋白激酶 诱导分解 106分子G两者磷酸化后活性变化相反，调节是酶促的，速度快，级联放大，效率高，受激素调节肌糖原分解代谢主要受肾上腺素调节，糖原合酶和磷酸化酶的变构效应物不是葡萄糖是AMP、ATP 6-磷酸葡萄糖糖原积累症 糖原累积

24、症(glycogen storage diseases)是一类遗传性代谢病，其特点为体内某些器官组织中有大量糖原堆积。引起糖原累积症的原因是患者先天性缺乏与糖原代谢有关的酶类。第六节 糖异生Gluconeogenesis概述 糖异生(gluconeogenesis)是指从非糖化合物转变为葡萄糖或糖原的过程。主要在肝、肾细胞的胞浆及线粒体。乳酸、甘油、生糖氨基酸 糖异生途径(gluconeogenic pathway)指从丙酮酸生成葡萄糖的具体反应过程。途径 丙酮酸经丙酮酸羧化支路变为磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸在丙酮酸羧化酶（生物素辅酶）作用下脱羧消耗一个ATP变为草酰乙酸，草酰乙酸在磷酸烯醇式丙

25、酮酸羧激酶作用下 消耗一个GTP脱羧变为磷酸烯醇式丙酮酸(PEP) 草酰乙酸转运途径：苹果酸途径，天冬氨酸途径 NADH+H+ 来源 1,3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油醛时，需要NADH+H+ 由乳酸为原料异生糖时， NADH+H+由乳酸脱氢提供，由氨基酸为原料进行糖异生时， NADH+H+则由线粒体内NADH+H+提供 1,6-双磷酸果糖转变为6-磷酸果糖 酶：果糖双磷酸酶-1 6-磷酸葡萄糖水解为葡萄糖 酶：葡萄糖-6-磷酸酶底物循环(substrate cycle)在以上反应过程中，作用物的互变反应分别由不同的酶催化其单向反应，这种互变循环被称为底物循环当两种酶活性相等时，就不能将代谢

26、向前推进，结果仅是ATP分解释放出能量，因而又称为无效循环(futile cycle)调节 糖异生的调节通过对2个底物循环的调节与糖酵解调节彼此协调，这种协调主要依赖于对这两条途径中的两个底物循环进行调节 第一个底物循环在6-磷酸果糖与1，6-双磷酸果糖之间进行 磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸之间进行第二个底物循环 生理意义 维持血糖水平的恒定是糖异生最主要的生理作用 正常成人的脑组织不能利用脂酸，主要依赖葡萄糖供给能量；红细胞没有线粒体，完全通过糖酵解获得能量；骨髓、神经等组织由于代谢活跃，经常进行糖酵解。 糖异生的主要原料为乳酸（肌肉）、氨基酸及甘油（饥饿） 糖异生是补充或恢复肝糖原储备的重要途

27、径 三碳途径： 指进食后，大部分葡萄糖先在肝外细胞中分解为乳酸或丙酮酸等三碳化合物，再进入肝细胞异生为糖原的过程。 肾糖异生增强有利于维持酸碱平衡 饥饿造成的代谢性酸中毒促进肾小管中磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的合成，从而使糖异生作用增强。 肌中产生的乳酸运输至肝进行糖异生形成乳酸循环 肌收缩（尤其是供氧不足时）通过糖酵解生成乳酸。肌内糖异生活性低，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。葡萄糖释入血液后又可被肌摄取，这就构成了一个循环，此循环称为乳酸循环，也称Cori循环。 耗能，2分子乳酸异生为1分子葡萄糖消耗6ATP。 避免乳酸损失，再利用，防止酸中毒。第八节 血糖及其调节The definition， level and regu