生物化学 课件 第7章 糖代谢

第七章

糖代谢主要内容概述糖的分解代谢糖原的合成与分解糖异生血糖学习目标1.掌握糖的无氧氧化、有氧氧化、磷酸戊糖途径、糖原合成与分解、糖异生作用的概念、反应部位、关键酶及各种代谢的生理意义。2.熟悉糖的生理功能，血糖的来源和去路3.了解糖代谢的主要途径，血糖水平的调节及代谢异常。4.运用本章知识解释糖代谢异常的原因，并能进行相应的临床应用。第一节概述一、糖的生理功能（一）氧化分解，供应能量

糖类所供给的能量是机体生命活动主要的能量来源。正常情况下机体所需总能量的50～70%来自糖的氧化分解。

1mol葡萄糖在体内完全氧化可释放2840kJ的能量。

糖在体内可以糖原形式储存，当机体需要时，糖原分解，释放入血，有效地维持正常血糖浓度。

（三）提供原料，合成其他物质

糖可转变为脂肪酸和甘油，进而合成脂肪；可转变为某些氨基酸以供机体合成蛋白质所需；可转变为葡萄糖酸，参与机体生物转化反应等。（二）储存能量，维持血糖2.糖与脂类或蛋白质结合形成糖脂、糖蛋白或蛋白聚糖（统称糖复合物）。糖复合物不仅是细胞的结构分子，而且是信息分子。3.体内许多具有重要功能的蛋白质都是糖蛋白，如抗体、许多酶类和凝血因子等。

（四）参与构造组织细胞（五）其它功能

参与构成体内一些具有生理功能的物质，如免疫球蛋白、血型物质及部分激素等。

二、糖代谢概况体内糖的来源

主要来自植物淀粉糖的消化

经消化道水解酶的作用分解为单糖（主要是G）。糖的吸收

经小肠黏膜吸收入血成为血糖。糖代谢概况葡萄糖淀粉消化与吸收糖酵解途径丙酮酸磷酸戊糖途径核糖糖原合成糖原

有氧无氧乳酸H20+CO2

ATPNADPH+H+第二节糖的分解代谢糖的无氧氧化（糖酵解）糖的有氧氧化磷酸戊糖途径

糖的氧化分解方式根据反应条件和反应途径的不同分为三种一、糖的无氧氧化（一）无氧氧化的概念

葡萄糖或糖原在无氧或缺氧情况下，分解成乳酸和少量ATP的过程。（二）无氧氧化过程全过程在细胞液中进行反应分三个阶段

第一阶段：葡萄糖裂解为2分子磷酸丙糖（利用ATP阶段）第二阶段：磷酸丙糖转变为丙酮酸（生成ATP阶段）第三阶段：丙酮酸还原为乳酸1.葡萄糖裂解为2分子磷酸丙糖

（1）葡萄糖生成6-磷酸葡萄糖

消耗ATP的不可逆反应，由已糖激酶催化，Mg2+是其必需激活剂，该酶是酵解途径的限速酶之一。己糖激酶已糖激酶是无氧氧化的限速酶之一，Mg2+是其必需激活剂。现已发现，哺乳动物体内已糖激酶同工酶有四种：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型主要存在于肝外组织

1.专一性不强，对多种已糖起作用

2.Km较低，在0.1mmol/L左右，对葡萄糖有较强的亲和力

3.保证大脑等重要组织器官在血糖浓度较低时仍能利用葡萄糖供能Ⅳ型存在于肝细胞中，也称葡萄糖激酶

1.专一性较强，只对葡萄糖起作用

2.Km较高，在10mmol/L左右，对葡萄糖的亲和力较低，只有在血糖浓度较高时才能发挥作用

3.在维持血糖水平中起重要作用（2）6-磷酸葡萄糖转化为6-磷酸果糖

H为磷酸已糖异构酶催化的可逆反应，需Mg2＋参与。（3）6-磷酸果糖生成1,6二磷酸果糖HH6-磷酸果糖激酶-1是糖酵解途径中最重要的限速酶。胰岛素可诱导其生成。（4）磷酸丙糖的生成

在醛缩酶作用下，1分子1,6-二磷酸果糖裂解为2分子磷酸丙糖磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛是同分异构体，在磷酸丙糖异构酶的催化下可互相转变。2.磷酸丙糖氧化为丙酮酸产生ATP（1）3-磷酸甘油醛氧化

在3-磷酸甘油醛脱氢酶催化下，3-磷酸甘油醛的醛基脱氢氧化再磷酸化生成含有一个高能磷酸键的1，3-二磷酸甘油酸。反应脱下的氢由NAD＋接受生成NADH＋H＋。

在磷酸甘油酸激酶的催化下，1，3-二磷酸甘油酸将高能磷酸基转移给ADP生成ATP，自身则转变为3-磷酸甘油酸。这是糖酵解过程中第一次产生ATP的反应。这种直接将底物分子中的高能磷酸键转移给ADP生成ATP的方式，称为底物水平磷酸化作用。（2）1，3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸（3）3-磷酸甘油酸转变成2-磷酸甘油酸反应由磷酸甘油酸变位酶催化（4）磷酸烯醇式丙酮酸的生成

在烯醇化酶的催化下，2-磷酸甘油酸脱水，分子内部能量重新分布形成了一个高能磷酸键，产生了高能磷酸化合物——磷酸烯醇式丙酮酸。

在丙酮酸激酶的催化下，磷酸烯醇式丙酮酸转变为烯醇式丙酮酸，后者自发地转变为丙酮酸。这是酵解途径中第二次底物水平磷酸化反应。（5）丙酮酸的生成丙酮酸激酶为第三个限速酶3.乳酸的生成缺氧情况下，乳酸脱氢酶催化丙酮酸还原成乳酸。所需的NADH+H+提供来自3-磷酸甘油醛的脱氢反应。葡萄糖6-磷酸果糖

磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛2×2-磷酸甘油酸2×丙酮酸6-磷酸葡萄糖ADPATP1,6-二磷酸果糖ADPATP2×1,3-二磷酸甘油酸2×Pi2×NADH+2H+2×NAD+2×3-磷酸甘油酸2×ADP2×ATP2×磷酸烯醇式丙酮酸2×H2O2×烯醇式丙酮酸2×ADP2×ATP2×乳酸无氧氧化反应全过程（三）无氧氧化特点无氧氧化反应的全过程没有氧的参与，乳酸是必然产物。反应释放的能量较少，1分子葡萄糖可净生成2分子ATP。若从糖原开始，则净生成3分子ATP。糖酵解全过程有三步步可逆反应，分别由己糖激酶、磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶催化。其中以磷酸果糖激酶活性最低，是最重要的限速酶。（四）糖无氧氧化的生理意义无氧氧化是机体在缺氧情况下供应能量的重要方式生理性缺氧情况：剧烈运动时病理性缺氧情况：呼吸或循环机能障碍、严重贫血或失血等无氧氧化是红细胞功能的主要方式

成熟红细胞没有线粒体，不能进行有氧氧化某些组织细胞如视网膜、睾丸、白细胞、肿瘤细胞等，即使在有氧条件下仍以无氧氧化为其主要功能方式二、糖的有氧氧化（一）有氧氧化的概念

葡萄糖在有氧条件下彻底分解生成CO2和H20并释放大量能量的过程。（二）有氧氧化的反应过程分三个阶段

1.葡萄糖生成丙酮酸

2.丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A3.乙酰辅酶A进入三羧酸循环彻底氧化为H2O和CO2并释放较多能量1.葡萄糖生成丙酮酸

葡萄糖经糖酵解途径生成丙酮酸，此过程在胞液中进行。

无氧条件下，丙酮酸还原成乳酸，称为无氧氧化。

有氧条件下，丙酮酸转运入线粒体，进行有氧氧化。2.丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A

丙酮酸脱氢酶复合体由丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酰胺转乙酰酶和二氢硫辛酰胺脱氢酶三种酶组成的多酶复合体。

有5种辅酶，即TPP、硫辛酸、FAD、NAD＋和HSCoA，分别含有B1、硫辛酸、B2、PP、泛酸等5种维生素。当这些维生素缺乏将导致糖代谢障碍。3.三羧酸循环概念：三羧酸循环是指乙酰CoA和草酰乙酸缩合生成柠檬酸，经过一系列脱氢、脱羧反应，再生成草酰乙酸的循环过程。由于此循环是从生成含有三个羧基的柠檬酸开始的，故得名三羧酸循环，也称柠檬酸循环。该循环是由德国科学家HansKrebs于1937年首先提出，又称Krebs循环。三羧酸循环的反应过程（1）柠檬酸的生成：在柠檬酸合酶催化下，乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成柠檬酸。（2）柠檬酸异构为异柠檬酸：是由顺乌头酸酶催化的可逆反应，经过中间产物顺乌头酸，将柠檬酸C3上的羟基转移到C2上。（3）第一次氧化脱羧：在异柠檬酸脱氢酶的催化下，异柠檬酸脱氢、脱羧转变为α-酮戊二酸，此为不可逆反应。脱下的氢由NAD＋接受，异柠檬酸脱氢酶是三羧酸循环的限速酶。（4）第二次氧化脱羧：α-酮戊二酸氧化脱羧生成含有高能硫酯键的琥珀酰CoA。这是三羧酸循环的第三步不可逆反应，由α-酮戊二酸脱氢酶复合体催化。

α-酮戊二酸脱氢酶复合体的组成及催化反应过程与丙酮酸脱氢酶复合体类似，所需辅助因子相同，氢最终也由NAD＋接受还原为NADH＋H＋。（5）底物水平磷酸化反应：在琥珀酸硫激酶的催化下，琥珀酰CoA转变为琥珀酸的同时，释放的能量使GDP磷酸化为GTP。这是三羧酸循环中唯一直接生成高能磷酸键的反应。（6）琥珀酸脱氢氧化成延胡索酸：琥珀酸脱氢酶催化该反应，其辅基是FAD，它接受琥珀酸脱下的氢还原为FADH2。（7）延胡索酸加水生成苹果酸：延胡索酸酶催化此可逆反应。

（8）草酰乙酸再生：在苹果酸脱氢酶的催化下，苹果酸脱氢生成草酰乙酸，脱下的氢由NAD＋接受。

再生的草酰乙酸可再次与乙酰CoA结合生成柠檬酸。草酰乙酸CH2CO～SoA(乙酰辅酶A)苹果酸琥珀酸琥珀酰CoAα-酮戊二酸异柠檬酸柠檬酸CO22HCO22HGTP延胡索酸三羧酸循环2H2H

三羧酸循环总反应式:

CH3COSCoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O

2CO2+CoASH+3NADH+3H++FADH2+GTP能量“现金”：1GTP

能量“支票”：

3NADH

1FADH2兑换率1：2.57.5ATP兑换率1：1.51.5ATP1ATP10ATP三羧酸循环的能量计量：三羧酸循环的特点

三羧酸循环必须在有氧条件下进行一次三羧酸循环生成12分子ATP

四次脱氢生成

3分子NADH＋H＋

1分子FADH2

氧化磷酸化11分子ATP

底物水平磷酸化1分子ATP三羧酸循环是单向反应体系

三个不可逆反应分别由柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体催化三羧酸循环必须不断补充中间产物×2.5=7.5×1.5=1.5（四）糖有氧氧化的生理意义有氧氧化是机体获得能量的主要方式。

三羧酸循环是三大营养素彻底氧化分解的共同通路。三羧酸循环是糖、脂肪、氨基酸代谢联系的枢纽。第一阶段：葡萄糖→2丙酮酸第二阶段：2丙酮酸→2乙酰CoA第三阶段：2乙酰CoA→2CO2+4H2O

2ATP

糖的有氧氧化

底物磷酸化氧化磷酸化2×2.5ATP2×10ATP葡萄糖→6CO2+6H2O+？molATP糖原中的1mol葡萄糖→6CO2+6H2O+？molATP

30/32ATP36/38ATP2×1.5/2.5ATP2×ATP糖有氧氧化过程中ATP的生成注意：糖酵解途径消耗2分子ATP三、磷酸戊糖途径由6-磷酸葡萄糖开始，生成具有重要生理功能的5-磷酸核糖和NADPH。在胞浆中进行。此途径主要发生在肝脏、脂肪组织、哺乳期乳腺、肾上腺皮质、性腺、骨髓和红细胞等。（一）磷酸戊糖途径的反应过程两个阶段：

1.氧化反应阶段

6-磷酸葡萄糖首先在6-磷酸葡萄糖脱氢酶的催化下脱氢氧化为6-磷酸葡萄糖酸，再由6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶催化脱氢脱羧转变为5-磷酸核酮糖，后者在异构酶作用下转变为5-磷酸核糖，或由差向异构酶催化生成5-磷酸木酮糖。反应中两次脱氢均由NADP＋接受，生成NADPH＋H＋，一次脱羧产生了CO2。

G-6-P

葡萄糖酸-6-P核酮糖-５-P

NADP+

NADPH+H+NADP+

NADPH+H+CO2

H2OH2OPi65-磷酸核酮糖25-磷酸核糖25-磷酸木酮糖2

3-磷酸甘油醛27-磷酸景天庚酮糖2

4-磷酸赤藓丁糖26-磷酸果糖25-磷酸木酮糖23-磷酸甘油醛26-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖16-磷酸果糖转醛酶异构酶转酮酶转酮酶醛缩酶阶段之一阶段之二阶段之三2.基团移换反应阶段

（二）磷酸戊糖途径的生理意义

1.5-磷酸核糖的生理作用

5-磷酸核糖是合成核苷酸、核酸的原料。磷酸戊糖途径是机体利用葡萄糖生成5-磷酸核糖的唯一途径。核酸合成旺盛的组织，如损伤后处于修复和再生的组织，磷酸戊糖途径非常活跃。2.NADPH的生理作用（1）为体内许多合成代谢供氢：如为脂肪酸、胆固醇和类固醇激素等的生物合成提供氢。（2）维持还原型谷胱甘肽的正常含量：NADPH是谷胱甘肽还原酶的辅酶，氧化型谷胱甘肽（GSSG）在酶催化下转变为还原型谷胱甘肽（GSH）时，需要由NADPH供氢。（3）参与体内的羟化反应：如胆固醇转变为胆汁酸、类固醇类激素等生物合成过程中的羟化反应；激素的灭活；药物、毒物等非营养物质的生物转化过程中的羟化反应均需NADPH。还原型谷胱甘肽的抗氧化作用1.解毒功能2.保护巯基酶/蛋白质3.可消除自由基4.协肋氨基酸的吸收H+还原型氧化型蚕豆病的症状：

吃蚕豆几小时或1～2天后，突然感到精神疲倦、头晕、恶心、畏寒发热、全身酸痛、萎靡不振，并伴有黄疸、肝脾肿大、呼吸困难、肾功能衰竭，甚至死亡。血像检查:

红细胞明显减少，黄疸指数明显升高。

机理:

蚕豆中有3种物质：裂解素、锁未尔和多巴胺。前两种使谷胱甘肽氧化，后一种能激发红细胞的自身破坏，遗传性6-磷酸葡萄糖脱氢酶缺乏者，使红细胞大量溶解而发生蚕豆病。蚕豆病第三节

糖原的合成与分解糖原是由若干葡萄糖单位组成的具有多分支结构的大分子化合物。糖原

支链末端为非还原端，分支越多，非还原端越多，糖原的溶解度越高。

糖原由α-葡萄糖聚合而成。由α-1,4糖苷键连接为直链结构，由α-1,6糖苷键连接为分支结构。糖原

肝糖原含量可达肝重的5%(总量为70-100g)

肌糖原含量为肌肉重量的1～2%(总量为250-400g)糖原的分布一、糖原合成（一）概念

由单糖合成糖原的过程称为糖原的合成(glycogenesis)。

单糖:

葡萄糖(主要)、果糖、半乳糖等

部位：肝脏、肌肉组织等细胞的胞浆中1．葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖

反应由已糖激酶催化，ATP提供磷酸基。

（二）糖原合成过程己糖激酶已糖激酶是无氧氧化的限速酶之一，Mg2+是其必需激活剂。现已发现，哺乳动物体内已糖激酶同工酶有四种：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型主要存在于肝外组织

1.专一性不强，对多种已糖起作用

2.Km较低，在0.1mmol/L左右，对葡萄糖有较强的亲和力

3.保证大脑等重要组织器官在血糖浓度较低时仍能利用葡萄糖供能Ⅳ型存在于肝细胞中，也称葡萄糖激酶

1.专一性较强，只对葡萄糖起作用

2.Km较高，在10mmol/L左右，对葡萄糖的亲和力较低，只有在血糖浓度较高时才能发挥作用

3.在维持血糖水平中起重要作用2．1-磷酸葡萄糖的生成

反应由磷酸葡萄糖变位酶催化。CH2OPOHHHOHOHOHCH2OHOPOHHHOHOHOH磷酸葡萄糖变位酶3．尿苷二磷酸葡萄糖的生成

在尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶的催化下，尿苷三磷酸（UTP）与1-磷酸葡萄糖反应生成尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）。4．从UDPG合成糖原在糖原合酶的催化下，UDPG的葡萄糖基转移到糖原引物的非还原末端，通过α-1,4糖苷键相连形成糖原。（三）糖原合成的特点1、糖原合成需要引物2、糖原合酶是糖原合成的关键酶3、糖原支链结构的形成需要分支酶的作用4、糖原合成是消耗能量的过程糖原引物糖原合酶分枝酶糖原合成的限速酶12~18G二、糖原分解（一）概念

肝糖原分解为葡萄糖的过程。(二）糖原分解反应过程1.糖原分解为1-磷酸葡萄糖

从糖原分子的非还原端开始，由磷酸化酶的催化α-1,4糖苷键断裂，逐个生成1-磷酸葡萄糖。2.脱支酶的作用磷酸化酶只作用于α-1,4糖苷键，对α-1,6糖苷键不起作用。当磷酸解反应进行到距分支点约4个葡萄糖基时，脱支酶开始发挥作用，它首先将3个葡萄糖基转移到邻近糖链的非还原末端，以α-1,4糖苷键相连；然后将剩下的以α-1,6糖苷键连接的葡萄糖基直接水解为游离葡萄糖。脱支酶有两种酶活性：葡聚糖转移酶和α-1,6葡萄糖苷酶。除去分支后，磷酸化酶则继续发挥作用。因此在磷酸化酶与脱支酶的共同作用下，糖原的分支越来越少，分子不断变小。GG-1-PPi脱支酶具有:α-1,4-葡聚糖转移酶α-1,6-葡聚糖转移酶的双重作用脱支酶脱支酶3.1-磷酸葡萄糖在变位酶作用下转变为

6-磷酸葡萄糖CH2OPOHHHOHOHOHCH2OHOPOHHHOHOHOH磷酸葡萄糖变位酶4.6-磷酸葡萄糖水解为葡萄糖CH2OPOHHHOHOHOHCH2OHOHHHOHOHOH葡萄糖-6-磷酸酶H2OPiOH

葡萄糖6-磷酸酶主要存在于肝细胞，肌肉组织中不含此酶，因此肌糖原不能分解为葡萄糖。糖原合成与分解葡萄糖糖原G-1-PG-6-PUDPG糖原磷酸化酶糖原合酶UDPUTPPPiUDPG焦磷酸化酶变位酶葡萄糖激酶ADPATP葡萄糖-6-磷酸酶PiH2O三、糖原合成与分解的意义对维持血糖浓度的相对恒定和肌肉组织对能量的需要起重要作用。激素介导对糖原合成与分解的调节在生物体内具有普遍的意义。第四节糖异生一、糖异生作用的概念由非糖物质转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖异生作用。

原料：

生糖氨基酸、丙酮酸、乳酸、甘油及三羧酸循环中的有机酸部位：

肝脏（主要）及肾脏（饥饿时）二、糖异生作用的过程

基本上是糖酵解的逆过程跨越三个能障糖酵解过程葡萄糖6-磷酸果糖

磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛2×2-磷酸甘油酸2×丙酮酸6-磷酸葡萄糖ADPATP1,6-二磷酸果糖ADPATP2×1,3-二磷酸甘油酸2×Pi2×NADH+2H+2×NAD+2×3-磷酸甘油酸2×ADP2×ATP2×磷酸烯醇式丙酮酸2×H2O2×烯醇式丙酮酸2×ADP2×ATP2×乳酸糖异生途径关键反应之一

PEP羧激酶ATP+H2OADP+Pi丙酮酸羧化酶P磷酸烯醇丙酮酸（PEP）GTPGDP丙酮酸草酰乙酸CO2CO2糖异生途径关键反应之二

果糖二磷酸酶+

H2O+Pi1,6-二磷酸果糖PPOH2COH2COHOOHHOHHHHH2COOH6-磷酸果糖POH2COHOOHHHH糖异生途径关键反应之三葡萄糖6-磷酸酶存在于肝、肾细胞，肌肉组织中不含此酶CH2OPOHHHOHOHOHCH2OHOHHHOHOHOH葡萄糖-6-磷酸酶H2OPiOHABC1C2AG-6-P磷酸酯酶BF-1.6-P磷酸酯酶C1丙酮酸羧化酶C2PEP羧激酶（胞液）（线粒体）葡萄糖丙酮酸草酰乙酸天冬氨酸磷酸二羟丙酮3-P-甘油醛

-酮戊二酸乳酸谷氨酸丙氨酸TCA循环乙酰CoAPEPG-6-PF-6-PF-1.6-P丙酮酸草酰乙酸谷氨酸

-酮戊二酸天冬氨酸3-P-甘油甘油糖酵解和糖异生途径三、糖异生作用的意义在饥饿情况下保证血糖浓度的相对恒定有利于乳酸的利用乳酸乳酸的利用糖原葡萄糖丙酮酸葡萄糖血糖血乳酸糖原丙酮酸乳酸6-磷酸葡萄糖

(1)当体内ATP积聚量较多时，可抑制糖的分解，促进糖的异生，以积累能源。

(2)当耗能增加时，ATP不足，可促进糖的分解而抑制糖的异生以产生更多的ATP，以供机体需要。四、糖异生作用的调节（一）代谢物的调节作用ATP/AMP、ADP的调节作用ATP是丙酮酸羧化酶和果糖1,6-二磷酸酶的变构激活剂，是丙酮酸激酶和磷酸果糖激酶的变构抑制剂AMP、ADP是丙酮酸羧化酶和果糖1,6-二磷酸酶的变构抑制剂，是丙酮酸激酶和磷酸果糖激酶的变构激活剂（二）激素的调节作用促进糖异生作用的激素

肾上腺素、胰高血糖素、糖皮质激素

抑制糖的异生作用的激素是