第2篇 物质代谢及其调节
第4章 糖代谢
4.1 复习笔记
一、概述
1糖的生理功能
糖的主要生理功能是氧化能量。
2糖的消化吸收
（1）成分
人类食物中的糖类主要是淀粉。
（2）部位
消化和吸收主要是在小肠中进行。
（3）过程
经过消化道中一系列酶的消化作用，最终生成葡萄糖。
（4）特点
葡萄糖的吸收是依赖特定载体转运的、主动耗能的过程。
3糖代谢
（1）定义
糖代谢主要指葡萄糖在体内的复杂代谢过程，包括分解代谢与合成代谢。
（2）途径
分解代谢途径主要有糖酵解、糖的有氧氧化及磷酸戊糖途径等。
二、糖的无氧氧化
糖的无氧氧化是指在机体缺氧情况下，葡萄糖经一系列酶促反应生成丙酮酸进而还原成乳酸的过程。
1糖无氧氧化反应的过程
糖酵解是无氧氧化和有氧氧化的共同途径。在无氧条件下进一步会发生乳酸发酵和乙醇发酵，分别生成乳酸和乙醇；在有氧条件下，则彻底氧化分解为CO2和H2O。糖无氧氧化的大致途径为：葡萄糖→丙酮酸→乳酸。
（1）第一阶段（糖酵解）：生成两分子丙酮酸
糖酵解又称EMP途径，是指无氧条件下1分子葡萄糖分解形成2分子丙酮酸并提供能量的过程，各步反应见表6-1。糖酵解的总反应方程式为：
1葡萄糖＋2Pi＋2NAD＋→2丙酮酸＋2H2O＋2H＋＋2NADH＋2ATP
表4-1 糖酵解反应步骤的比较
注：表中反应类型A．磷酰基转移；B．磷酰基移位；C．异构化；D．脱水；E．醛醇裂解；F．与氧化作用偶联的磷酸化作用。
①己糖激酶催化葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖，需Mg2＋，ATP,反应不可逆（限速步骤）。
②磷酸己糖异构酶催化6-磷酸葡萄糖转变为6-磷酸果糖，需Mg2＋，反应可逆。
③6-磷酸果糖激酶-l催化6-磷酸果糖转变为1,6-二磷酸果糖，需ATP和Mg2＋，反应不可逆（限速步骤）。
④醛缩酶催化磷酸己糖裂解成磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛，反应可逆。
⑤磷酸丙糖异构酶催化磷酸二羟丙酮转变为3-磷酸甘油醛。
⑥3-磷酸甘油醛脱氢酶催化3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸，同时涉及脱氢和磷酸化。
⑦磷酸甘油酸激酶催化1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸，需Mg2＋，产生ATP，发生底物水平磷酸化作用，反应可逆。
底物水平磷酸化：物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成，这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。
⑧磷酸甘油酸变位酶催化3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸，需Mg2＋，反应可逆。
⑨烯醇化酶催化2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）。
⑩丙酮酸激酶催化PEP将高能磷酸基转移给ADP形成ATP和丙酮酸，发生第二次底物水平磷酸化，需K＋和Mg2＋，反应不可逆。
（2）第二阶段（丙酮酸→乳酸）
注：反应所需的氢来自糖酵解第6步反应中的3-磷酸甘油醛的脱氢反应。
2糖酵解能量变化小结
（1）①～⑤步反应为糖酵解途径中的耗能阶段，1分子葡萄糖的代谢消耗了2分子ATP，产生了2分子3-磷酸甘油醛。
（2）⑥～⑩步反应中，磷酸丙糖转变成丙酮酸，生成4分子ATP，为能量的释放和储存阶段。
（3）结果为净生成2分子ATP。
表4-2 糖酵解中ATP的消耗和产生
3糖酵解的调控
糖酵解的调控是对催化不可逆反应的3个酶的调控。
（1）磷酸果糖激酶是控制糖酵解的关键酶
①AMP、ADP、1,6二磷酸果糖和2,6-二磷酸果糖是此酶的变构激活剂，其中2,6-二磷酸果糖的作用最强；
②ATP、柠檬酸是此酶的变构抑制剂。
（2）己糖激酶参与糖酵解速率的调节
己糖激酶催化糖酵解的第一个不可逆反应，受其产物6-磷酸葡萄糖的反馈抑制。
（3）丙酮酸激酶对糖酵解的调节作用
受1,6二磷酸果糖的激活，受ATP、丙氨酸的抑制。
4糖酵解的生理意义
（1）糖酵解在生物体中普遍存在，在无氧及有氧条件下都能进行，是葡萄糖进行有氧或无氧分解的共同代谢途径；
（2）最主要的生理意义是迅速提供能量，对肌收缩更为重要。主要表现在以下三个方面：
①肌内ATP含量很低，当机体缺氧或剧烈运动肌局部血流不足时，主要通过糖无氧氧化获得；
②成熟红细胞没有线粒体，只能依赖糖的无氧氧化提供能量；
③神经细胞、白细胞、骨髓细胞代谢极为活跃，即使不缺氧也常由糖无氧氧化提供部分能量。
（3）糖酵解形成的许多中间产物，可作为合成其他物质的原料；
（4）糖酵解为在特定生理条件下葡萄糖的合成（糖异生作用）提供了基本途径。
三、糖的有氧氧化
糖的有氧氧化是指葡萄糖在有氧条件下彻底氧化生成水和CO2的反应过程，是糖氧化供能的主要方式。
1糖有氧氧化的反应过程
（1）第一阶段（糖酵解）：生成丙酮酸
同糖无氧氧化的第一阶段。（注：糖酵解产生的丙酮酸，选择有氧氧化和无氧氧化代谢途径的决定因素是NADH＋H＋的去路。）
（2）第二阶段（丙酮酸氧化脱羧）：生成乙酰CoA
①场所——线粒体
②催化酶——丙酮酸脱氢酶复合体：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。
③辅酶：焦磷酸硫胺素（TPP）、硫辛酸、CoA、FAD、NAD＋。
④总反应式
丙酮酸＋NAD＋＋HS-CoA→乙酰CoA＋NADH＋H＋＋CO2（反应不可逆）
（3）第三阶段（三羧酸循环）
三羧酸循环是指以乙酰CoA和草酰乙酸缩合生成柠檬酸开始，经过4次脱氢、2次脱羧，生成4分子还原当量和2分子CO2，重新生成草酰乙酸的这一循环反应过程，又称柠檬酸循环（TCA循环、Krebs循环）。
2柠檬酸循环
（1）过程
①乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸（限速步骤）
柠檬酸合酶催化乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸，为单向、不可逆反应。
②柠檬酸异构化形成异柠檬酸
顺乌头酸酶催化柠檬酸先脱水成顺乌头酸，再水合成异柠檬酸，反应可逆。
③异柠檬酸氧化脱羧形成α-酮戊二酸
异柠檬酸脱氢酶催化异柠檬酸氧化脱羧转变为α-酮戊二酸，产生CO2，脱下的氢由NAD＋接受，生成NADH＋H＋，为第1次氧化脱羧。
④α-酮戊二酸氧化脱羧形成琥珀酰CoA
α-酮戊二酸脱氢酶催化α-酮戊二酸生成琥珀酰CoA，第2次氧化脱羧反应。
⑤琥珀酰CoA产生高能磷酸键（TCA循环中唯一生成高能磷酸键的反应）
琥珀酰CoA合成酶催化底物水平磷酸化反应生成琥珀酸及GTP，反应可逆。
⑥琥珀酸脱氢形成延胡索酸
琥珀酸脱氢酶（结合在线粒体内膜上，辅酶是FAD，含有铁硫中心）催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸，FAD接受氢还原为FADH2。
⑦延胡索酸水合生成苹果酸
延胡索酸水合酶催化延胡索酸发生水合反应，生成L-苹果酸，反应可逆。
⑧苹果酸氧化生成草酰乙酸
苹果酸脱氢酶催化苹果酸氧化脱氢生成草酰乙酸，反应可逆。
表4-3 柠檬酸循环反应步骤的比较
（2）柠檬酸循环的化学计量和特点
①柠檬酸循环总反应式
乙酰CoA＋3NAD＋＋FAD＋GDP＋Pi＋2H2O→2CO2＋3NADH＋H＋＋FADH2＋GTP＋CoASH
②柠檬酸循环特点
a．乙酰CoA以2个碳原子形式进入循环，以CO2的形式离开循环，相当于乙酰CoA的两个碳原子被氧化成CO2；
b．柠檬酸循环中共有4个脱氢步骤，生成3分子NADH＋H＋和1分子FADH2；
c．由琥珀酰CoA形成琥珀酸时，发生底物水平磷酸化反应生成GTP（植物中为ATP）；
d．在循环中消耗2分子水：一分子用于合成柠檬酸，另一分子用于延胡索酸加水；
e．分子氧不直接参加柠檬酸循环，但NAD＋和FAD再生需要氧气，因此，柠檬酸循环是严格需氧的。
③柠檬酸循环产ATP量（表4-4）
表4-4 葡萄糖有氧氧化生成的ATP
（3）柠檬酸循环的调控
①柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶的调控
表4-5 柠檬酸循环的酶调控
②底物的调控
柠檬酸循环中酶的活性主要靠底物提供的情况推动，并受其生成产物浓度的抑制。循环中最关键的底物为乙酰-CoA、草酰乙酸和产物NADH。
③ATP、ADP和Ca2＋对柠檬酸循环的调节
a．ATP和ADP：ADP是异柠檬酸脱氢酶的变构促进剂，从而增加了该酶对底物的亲和力。机体活动处于静息状态时，ATP的消耗下降、浓度上升，对异柠檬酸脱氢酶产生抑制效应。
b．Ca2＋：刺激糖原的降解、启动肌肉收缩，对丙酮酸脱氢酶磷酸酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶都有激活作用。
（4）柠檬酸循环的生物学意义
①从能量代谢角度，柠檬酸循环是生物利用有机物氧化获得能量的最有效方式。
②从物质代谢角度，柠檬酸循环不仅是糖分解代谢的最终途径，还是脂类和氨基酸等彻底氧化分解的共同途径，也是三大营养素（糖、脂肪酸和氨基酸）相互转化的枢纽，为其他合成代谢提供前体物质。
（5）巴斯德效应
巴斯德效应是指有氧氧化抑制糖酵解的现象。
四、磷酸戊糖途径
糖的EMP途径和TCA循环是生物体内糖分解的主要途径，但不是唯一途径，磷酸戊糖途径是不产能的分解代谢途径。
1定义
磷酸戊糖途径（PPP）是指在细胞质中，由G-6-P直接氧化脱氢脱羧，生成CO2、NADPH、H＋和5-磷酸核酮糖，并通过单糖磷酸的相互转变再生为G-6-P的过程，又称为磷酸戊糖旁路。总反应式为：
6×6-磷酸葡萄糖＋12NADP＋＋7H2O→5×6-磷酸葡萄糖＋6CO2＋12NADPH＋12H＋＋H3PO4
2过程
（1）第一阶段（氧化脱氢脱羧反应）：6-磷酸葡萄糖→5-磷酸核酮糖
（2）第二阶段（基团转移反应）
磷酸戊糖分子重排，生成不同碳链长度的磷酸单糖。
①异构化反应
②转酮醇反应
5-磷酸木酮糖和5-磷酸核糖在转酮酶作用下，转变为景天庚酮糖-7-磷酸和甘油醛-3-磷酸。
③转醛醇反应
转醛醇酶催化7-磷酸景天庚酮糖上的二羟丙酮基团转移给3-磷酸甘油醛生成4-磷酸赤藓糖和6-磷酸果糖。
④转酮醇反应
4-磷酸赤藓糖经转酮醇反应接受5-磷酸木酮糖上的二碳单位形成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛。
3主要特点
①6-磷酸葡萄糖直接脱氢、脱羧，不必经过糖酵解，也不必经过柠檬酸循环；
②在反应中，脱氢酶的辅酶为NADP＋而不是NAD＋，无ATP的产生与消耗。
4生理意义
①主要是产生高还原力物质NADPH；
②可以为核苷酸等生物合成提供原料；
③可以与糖的其他代谢途径相联系。
5调节
（1）6-磷酸葡萄糖脱氢酶是关键酶，其活性决定6-磷酸葡萄糖进入此途径的流量。
（2）NADP＋/NADPH的比值直接影响6-磷酸葡萄糖脱氢酶的活性。比值增高，PPP途径被抑制；比值降低，PPP途径被激活。
五、糖的其他代谢
1糖醛酸途径
糖醛酸途径的主要生理意义是生成活化的葡萄糖醛酸（UDPGA）。
2多元醇途径
可以生成一些多元醇的糖代谢途径称为多元醇途径，多元醇无毒且不易用过细胞膜的特性使其具有重要的意义。多元醇途径生成木糖醇、山梨醇等。
32,3-二磷酸甘油酸旁路
糖酵解过程中会分支生成中间产物2,3-二磷酸甘油酸，2,3-二磷酸甘油酸的主要生理功能是调节血红蛋白运氧。
六、糖原的合成与分解
糖原是体内糖的储存形式，主要贮存于肝和肌肉中。
1肝糖原的合成途径
（1）直接途径
①葡萄糖的活化：葡萄糖在葡萄糖激酶作用下磷酸化成为6-磷酸葡萄糖。6-磷酸葡萄糖转变成1-磷酸葡萄糖。1-磷酸葡萄糖与尿苷三磷酸（UTP）反应生成尿苷二磷酸葡萄糖及焦磷酸，反应可逆，由UDPG焦磷酸化酶催化。
②UDPG的连接
a．UDPG在糖原合酶的催化下将葡萄糖基转移到糖原引物的糖链末端，形成α-1,4-糖苷键。
b．糖链在分支酶参与下形成分支，形成α-1,6-糖苷键。
（2）间接途径
间接途径是指由三碳化合物经糖异生合成糖原的途径。
2肝糖原分解要点
（1）糖原磷酸化酶从糖链的非还原端分解下一个葡萄糖基，生成1-磷酸葡萄糖。
（2）磷酸化酶只能分解α-1,4-糖苷键，对α-1,6-糖苷键无作用。
（3）当糖链上的葡萄糖基逐个磷酸解至距分支点约4个葡萄糖基时，由于空间位阻，磷酸化酶不能再发挥作用。
（4）葡聚糖转移酶将3个葡萄糖基转移到邻近糖链的末端，仍以α-1,4-糖苷键连接。
（5）剩下1个以α-1,6-糖苷键与糖链形成分支的葡萄糖基被α-1,6-葡萄糖苷酶水解成葡萄糖。
（6）除去分支后，磷酸化酶即可继续发挥作用。
（7）目前认为葡聚糖转移酶和α-1,6-葡萄糖苷酶是同一酶的两种活性，合称脱支酶。
（8）1-磷酸葡萄糖转变为6-磷酸葡萄糖，后者被葡萄糖-6-磷酸酶水解成葡萄糖。
（9）葡萄糖-6-磷酸酶只存在肝肾中，故肌糖原不能分解成葡萄糖。
3糖原的合成与分解的调节（表4-6）
（1）糖原磷酸化酶是糖原分解的关键酶。
（2）糖原合酶是糖原合成的关键酶。
（3）Ca2＋激活磷酸化酶b激酶，加速糖原分解。
表4-6 糖原的合成与分解的调控
七、糖异生
糖异生是指由乳酸、甘油和生糖氨基酸等非糖化合物转变为葡萄糖或糖原的过程，糖异生途径不完全是糖酵解的逆反应，进行糖异生的主要器官是肝，其次为肾。
1糖异生途径过程
糖异生作用需要绕过3个不可逆过程。
（1）丙酮酸→磷酸烯醇式丙酮酸
①丙酮酸羧化酶催化丙酮酸羧化生成草酰乙酸
a．丙酮酸羧化酶定位于线粒体，丙酮酸经运载系统进入线粒体后羧化成草酰乙酸，再转变为苹果酸，才能进入细胞质；
b．在细胞质中，苹果酸经胞质中的苹果酸脱氢酶转变成草酰乙酸。
②磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化草酰乙酸生成磷酸烯醇式丙酮酸
（2）果糖-1,6二磷酸→6-磷酸果糖
果糖磷酸酯酶催化1,6二磷酸果糖转化成6-磷酸果糖。
（3）6-磷酸葡萄糖→葡萄糖
葡萄糖磷酸酯酶催化6-磷酸葡萄糖转化成葡萄糖。
2关键酶
丙酮酸羧化酶、PEP羧激酶、果糖二磷酸酶-1、6-磷酸葡萄糖酶四个催化酶均是关键酶。
（注意：能通过线粒体膜——丙酮酸、天冬氨酸、苹果酸；不能通过线粒体——脂酰CoA、乙酰CoA、草酰乙酸。）
3糖异生途径的调节
底物循环是作用物的互变反应分别由不同的酶催化其单向反应的这种互变循环，又称为无效循环。糖异生途径通过两个底物循环进行有效的调节。
（1）第一个底物循环在6-磷酸果糖与1,6-二磷酸果糖之间进行。
图4-1 第一个底物循环示意图
①2,6-二磷酸果糖和AMP激活6-磷酸果糖激酶-1，抑制果糖二磷酸酶-1的活性，促进糖酵解而抑制糖异生。
②胰高血糖素使6-磷酸果糖激酶-2磷酸化而失活，降低2,6-二磷酸果糖水平，促进糖异生而抑制糖酵解。胰岛素有相反的作用。
③进食后，胰高血糖素/胰岛素比例降低，糖异生抑制，糖分解加强。
④饥饿时胰高血糖素分泌增加，糖异生加强。
（2）第二个底物循环在磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸之间进行
图4-2 第二个底物循环示意图
①1,6-二磷酸果糖是丙酮酸激酶的变构激活剂。
②胰高血糖素可抑制2,6-二磷酸果糖合成，从而减少1,6-二磷酸果糖的生成，故降低丙酮酸激酶的活性，糖异生加强。
③胰高血糖素通过cAMP使丙酮酸激酶磷酸化而失活，糖异生加强。
④饥饿时脂酰CoA氧化生成乙酰CoA，抑制丙酮酸脱氢酶，同时又激活丙酮酸羧化酶，糖异生加强。
⑤胰高血糖素可通过cAMP快速诱导磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶基因的表达，糖异生加强。胰岛素有相反作用。
表4-7 糖异生与糖酵解相互协调
4糖异生的生理意义
（1）最主要的意义是维持血糖水平的恒定。
（2）补充或恢复肝糖原储备。
（3）长期饥饿时，肾糖异生增强有利于维持酸碱平衡。
5乳酸循环
肌产生的乳酸弥散进入血液后，再入肝异生为葡萄糖。葡萄糖释入血液后又可被肌摄取，由此构成了一个循环，称为乳酸循环，又称Cori循环。
八、其他单糖的代谢
1果糖被磷酸化后进入糖酵解途径
果糖被己糖激酶磷酸化生成6-磷酸果糖，进入糖酵解途径。
2半乳糖可转变为1-磷酸葡萄糖成为糖酵解的中间代谢产物
UDPGal不仅是半乳糖转变为葡萄糖的中间产物，也是半乳糖供体。
3甘露糖可转变为6-磷酸果糖进入糖酵解途径
甘露糖被磷酸化为6-磷酸甘露糖，再被转化为6-磷酸果糖进入糖酵解。
九、血糖及其调节
血糖是指血中的葡萄糖，其正常水平相对恒定在3.89～6.11mmol/L之间。
1血糖的来源和去路
（1）血糖是肠道吸收、肝糖原分解或肝内糖异生生成的葡萄糖释入血液内的。
（2）血糖为周围组织以及肝组织所摄取利用。
图4-3 血糖的来源和去路
2血糖水平的平衡主要是受到激素调节
（1）胰岛素降血糖的机制
①促进肌、脂肪组织等的细胞膜葡萄糖载体将葡萄糖转运入细胞。
②增强磷酸二酯酶活性，降低cAMP水平，使糖原合酶活性增强、磷酸化酶活性降低，加速糖原合成、抑制糖原分解。
③激活丙酮酸脱氢酶磷酸酶，加速丙酮酸氧化为乙酰CoA，加快糖的有氧氧化。
④抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的合成以及促进氨基酸进入肌组织并合成蛋白质，减少肝糖异生的原料。
⑤抑制脂肪组织内的激素敏感性脂肪酶，减缓脂肪动员的速率。
（2）胰高血糖素升血糖的机制
①激活依赖cAMP的蛋白激酶，抑制糖原合酶和激活磷酸化酶，迅速使肝糖原分解。
②抑制6-磷酸果糖激酶-2，激活果糖二磷酸酶-2，减少2,6-二磷酸果糖的合成，增强糖异生。
③促进磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的合成，抑制肝L型丙酮酸激酶，增强糖异生。
④激活脂肪组织内激素敏感性脂肪酶，加速脂肪动员，从而间接升高血糖水平。
（3）糖皮质激素升血糖的机制
①促进肌蛋白质分解，生成氨基酸转移到肝进行糖异生。
②抑制丙酮酸的氧化脱羧，故肝外组织摄取和利用葡萄糖受阻。
③促进其他促进脂肪动员的激素发挥作用。
（4）肾上腺素的升血糖机制
①通过肝和肌的细胞膜受体、cAMP、蛋白激酶级联激活磷酸化酶，加速糖原分解。
②肌中发生糖酵解生成乳酸，通过乳酸循环间接升高血糖水平。
3糖代谢紊乱
（1）低血糖
低血糖是指空腹血糖浓度低于2.8mmol/L。
（2）高血糖
高血糖是指空腹血糖浓度高于7.1mmol/L。
（3）糖尿病
糖尿病是因胰岛素分泌不足及胰岛素受体缺陷所致的代谢性疾病。
①分类
a．1型（胰岛素依赖型）。
b．2型（非胰岛素依赖型）。
②病因
a．糖尿病的发病与某些基因相关，因此，糖尿病具有遗传倾向。
b．1型多发生于青少年，主要与遗传有关，定位于人类组织相容性复合体上的单个基因或基因群，是自身免疫病。
c．2型糖尿病和肥胖关系密切，可能是由细胞膜上胰岛素受体丢失所致。