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第四节糖代谢

第四节糖代谢
糖是自然界存在的一大类有机化合物，其化学本质为多羟基醛，或多羟基酮及其衍生物或 多聚物。在糖代谢中，葡萄糖代谢居主要地位。人体内所有组织细胞都可利用葡萄糖，人体约 50%〜70%的能量由糖代谢提供。葡萄糖可转变为多种非糖物质，某些非糖物质亦可转变为 葡萄糖。糖的生理功能是为机体生命活动提供能量、参与组成人体组织结构，例如糖蛋白和糖 脂是细胞膜的重要组成成分等。糖还可以构成体内多种重要的生物活性物质。
一、糖的分解代谢
(一）糖酵解基本途径、关键酶和生理意义
在缺氧状态下，葡萄糖生成乳酸的过程称为糖的无氧酵解(简称糖酵解）。糖酵解的代谢 过程可分为三个阶段:第一阶段包括葡萄糖转变成3-磷酸甘油醛，此阶段需要ATP;第二阶段 为3-磷酸甘油醛转变为丙酮酸，在此阶段中有ATP的生成;第三阶段为丙酮酸还原为乳酸。 糖酵解的全部反应过程均在胞浆中进行。
第一阶段:磷酸丙糖的生成
  1. 葡萄糖憐酸化为6-憐酸葡萄糖，催化此反应的酶是己糖激酶(肝内为葡萄糖激酶），由 ATP提供磷酸基和能量，这一步是不可逆反应。
  2. 6-磷酸葡萄糖转变为6-磷酸果糖，反应可逆。
  3. 6-磷酸果糖转变为1，6-双磷酸果糖，是第二个磷酸化反应，由6-磷酸果糖激酶-1催化， 为不可逆反应。
  4. 6碳的1，6-双磷酸果糖裂解为2分子可以互变的磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛，反应 可逆。
第二阶段:丙酮酸的生成
  1. 3-磷酸甘油醛氧化为1，3-二磷酸甘油酸，生成1分子NADH+H+和含有一个高能磷 酸键的1，3-二磷酸甘油酸。
  2. 1，3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸，生成1分子ATP。这种底物上的高能磷酸键 转移给ADP成为ATP的过程称为底物水平的磷酸化作用。
  3. 3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸，反应可逆。
  4. 2-憐酸甘油酸转变为含有高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸，反应可逆。
  5. 磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸，由丙酮酸激酶催化，有ATP生成。反应不可逆。

第三阶段:丙酮酸还原为乳酸

糖酵解的关键酶是己糖激酶(肝内为葡萄糖激酶）、6-#酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶。这
三种酶是糖酵解途径的限速酶，其活性可受别构效应剂和激素的调节。限速酶活性的高低决
定着糖酵解的速度和方向。
糖酵解的生理意义在于当机体缺氧或进行剧烈运动导致肌肉血流相对不足时，能量主要 通过糖酵解获得。成熟红细胞没有线粒体，需完全依靠糖酵解供应能量。神经、白细胞、骨髓 等组织细胞代谢极为活跃，在有氧情况下也常由糖酵解提供部分能量。
(二） 糖有氧氧化基本途径、关键酶和生理意义
酵解途径产生的丙酮酸在缺氧状态下还原为乳糖。在有氧状态下，酵解产生的NADH+ H+进入线粒体，经电子传递链的氧化作用生成H20,并生成ATP，同时，丙酮酸也进入线粒 体，经氧化脱羧生成乙酰CoA。后者进入三羧酸循环彻底氧化成C02、水并释放能量。葡萄 糖在有氧条件下彻底氧化成水和二氧化碳并产生大量能量的过程称为有氧氧化。有氧氧化是 糖氧化的主要方式，体内绝大多数细胞都要通过此途径获得能量。
糖的有氧氧化可分为三个阶段。第一阶段:葡萄糖在胞液经糖酵解途径分解成丙酮酸。 第二阶段:丙酮酸由胞液进入线粒体，氧化脱羧生成乙酰CoA。第三阶段:在线粒体内，乙酰 CoA进入三羧酸循环被彻底氧化。
  1. 葡萄糖分解成丙酮酸，反应步骤同糖的无氧酵解，反应过程中生成的NADH + H+被 转运进线粒体，通过呼吸链将其中的2个氢氧化成水，并生成ATP。
  2. 丙酮酸的氧化脱羧，生成乙酰CoA。此反应由丙酮酸脱氢酶复合体催化。
  3. 乙酰CoA进人三幾酸循环被彻底氧化。这个循环以乙酰CoA和草酰乙酸缩合成含有 三个狻基的柠檬酸开始，故称为三羧酸循环。三羧酸循环的反应过程如下：
  1. 乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸，反应由柠檬酸合酶催化。
  2. 柠檬酸转变成异柠檬酸。
  3. 异柠檬酸转变成a-酮戊二酸，反应由异梓檬酸脱氢酶催化。
  4. cr酮戊二酸氧化脱羧生成含有高能硫酯键的琥珀酰CoA，反应由cr酮戊二酸脱氢酶 复合体催化。
⑸琥珀酰CoA转变为琥拍酸，號拍酰CoA的高能硫酯键水解，生成GTP，反应可逆。 这是底物水平磷酸化的又一例子。
  1. 琥珀酸脱氢生成延胡索酸，由琥珀酸脱氢酶催化，辅酶是FAD。
  2. 延胡索酸生成苹果酸。
  3. 苹果酸生成草酰乙酸和NAD++H+。这是三羧酸循环的最后一步反应，反应可逆。 三羧酸循环的关键酶是:柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和cr酮戊二酸脱氢酶复合体。
(三） 三羧酸循环的生理意义
三狻酸循环是糖、脂、蛋白质三大物质最终氧化的共同途径;是糖、脂、某些氨基酸代谢联 系和互变的枢纽;是体内产生C02和能量的主要机制之一。1摩尔乙酰CoA经三羧酸循环彻 底氧化可生成10摩尔ATP，1摩尔葡萄糖在体内经有氧氧化彻底分解可净生成30或32摩尔 ATP。
二、糖原的合成与分解
糖原是动物体内糖的储存形式。肝和肌肉是贮存糖原的主要组织器官，但肝糖原和肌糖

原的生理功能有很大不同。肌糖原主要为肌肉收缩提供能量，肝糖原则是血糖的重要来源，这

(―)肝糖原的合成
葡萄糖合成糖原的过程称为糖原合成。进人肝的葡萄糖先在葡萄糖激酶的作用下磷酸化 成为6-憐酸葡萄糖，再转变为1-憐酸葡萄糖。 -
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(UDPG)。在糖原合酶的 作用下，UDPG的葡萄糖基转移到糖原引物上形成糖苷键，使糖原增加一个葡萄糖单位。上 述反应反复进行，可使糖链不断延长。糖原的合成还需要分支酶的参与。糖原合成的限速酶 是糖原合酶。从葡萄糖合成糖原是一个耗能过程。
(二）肝糖原的分解
糖原分解习惯指肝糖原分解为葡萄糖。在糖原磷酸化酶的作用下从糖原分子上分解下1 个葡萄糖基，生成1-憐酸葡萄糖。1-憐酸葡萄糖再转变为6-憐酸葡萄糖。经葡萄糖-6-憐酸酶 催化，6-磷酸葡萄糖水解成葡萄糖释放入血。葡萄糖-6-磷酸酶只存在于肝、肾中，肌肉中缺乏 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。 糖原的分解的限速酶是磷酸化酶。
三、糖异生
非糖物质转变为葡萄糖的过程称为糖异生。所利用的非糖物质包括各种氨基酸、乳酸、丙 酮酸、丙酸和甘油等。
(一） 糖异生的基本途径和关键酶
糖异生途径基本是糖酵解的逆反应过程。糖酵解途径中大多数反应是可逆的，但由己糖 激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的反应是不可逆的，必须通过其他的酶催化，才能越过 这三个不可逆反应进行糖异生。
1•丙酮酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸，反应由两步反应组成，分别由丙酮酸羧化酶和磷酸 烯醇式丙酮酸羧激酶催化。乳酸、丙氨酸及三羧酸循环的中间产物在进行糖异生时都需要通 过这条通路。
  1. 1，6-双磷酸果糖转变为6-憐酸果糖，此反应由果糖二磷酸酶催化，从而越过了糖酵解 中由磷酸果糖激酶催化的第二个不可逆反应。
  2. 6-憐酸葡萄糖水解为葡萄糖，此反应由葡萄糖-6-憐酸酶催化，从而越过了糖酵解中由 己糖激酶(葡萄糖激酶)催化的第一个不可逆反应。
由此可见，参与糖异生反应的关键酶有丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶、果糖二 磷酸酶和葡萄糖-6-憐酸酶。
(二） 糖异生的生理意义
糖异生作用最重要的生理意义是在空腹或饥饿情况下保持血糖浓度的相对恒定。体内某 些组织如脑组织不能利用脂酸，主要依靠葡萄糖供给能量。成熟红细胞没有线粒体，完全通过 糖酵解获得能量。在不进食的情况下，机体靠肝糖原的分解维持血糖浓度，但肝糖原不到12 小时即消耗殆尽，此后机体主要靠糖异生维持血糖浓度的相对恒定。因此，在空腹或饥饿情况 下，糖异生作用对保障大脑等重要组织器官的能量供应具有重要意义。
糖异生作用也有利于乳酸的利用(见“乳酸循环”)。
长期禁食后，肾的糖异生作用增强，可能是由于饥饿导致代谢性酸中毒造成的。体液pH

降低可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。当肾中tr酮
 管细胞将NH3分泌入管腔中与原尿中的H+结合,有利于排氢保钠作用的进行。因而对于防 止酸中毒，调节机体酸碱平衡有重要作用。
(三）乳酸循环
在安静状态下机体产生乳酸较少对糖异生作用的意义不大，但在某些生理和病理情况下 有重要意义。如剧烈运动时，肌糖原酵解产生大量乳酸，部分乳酸由尿排出，大部分乳酸经血 液运至肝，通过糖异生作用生成肝糖原和葡萄糖。肝脏将葡萄糖释放入血，葡萄糖又可被肌肉 摄取利用，这样就构成了乳酸循环。所以糖异生作用对乳酸的再利用、肝糖原的更新、补充肌 肉消耗的糖及防止乳酸酸中毒都具有重要意义。
四、 碡酸戌糖途径
(一） 磷酸戊糖途径的关键酶和重要的产物
  1. 磷酸戊糖途径的关键酶是6-磷酸葡萄糖脱氢酶。
  2. 磷酸戊糖途径为核酸的合成提供核糖，核糖是核酸和游离核苷酸的组成成分，而磷酸 戊糖途径是体内利用葡萄糖生成5-磷酸核糖的唯一途径，为体内核苷酸的合成并进一步为核 酸的合成提供了原料。
  3. 磷酸戊糖途径生成的大量NADPH+H+作为供氢体参与多种代谢反应。
  1. NADPH+H+参与体内多种生物合成反应，如脂酸和胆固醇等物质的合成都需要 NADPH+H+提供大量的氢，所以脂类合成旺盛的组织中磷酸戊糖途径比较活跃。
  2. NADPH+H+参与肝脏的生物转化反应。肝细胞内质网含有以NADPH+H+为供 氢体的加单氧酶系，与多种类固醇代谢有密切关系，也与药物与毒物的生物转化有关。
  3. NADPH+H+用于保持谷胱甘肽的还原状态。作为谷胱甘肽还原酶的辅酶，NAD- PH+H+对维持细胞中还原型谷胱甘肽(GSH)的正常含量起重要作用。2分子GSH可以脱 氢氧化成为GSSG，而后者可在谷胱甘肽还原酶的作用下，被NADPH+H+重新还原 为 GSH。
还原型谷胱甘肽是体内重要的抗氧化剂，可保护一些含-SH的蛋白质或酶免受氧化剂的 损害。红细胞中的还原型谷胱甘肽的作用尤为重要，它可以保护红细胞膜蛋白的完整性，能防 止与此有关的溶血性贫血。如遗传性6-憐酸葡萄糖脱氢酶缺乏症，患者体内磷酸戊糖途径不 能正常进行，NADPH+H+缺乏，使GSH合成减少，红细胞、尤其是衰老的红细胞易破裂而溶 血。患者常在食用蚕豆后发病，故称为蚕豆病。另外，这类患者在服用某些药物如阿司匹林、 横胺药后也易发生溶血。
(二） 磷酸戊糖途径的生理意义
  1. 为核酸的合成提供核糖。
  2. 磷酸戊糖途径生成大量的NADPH+H+，作为供氢体参与多种代谢反应。
  3. 通过磷酸戊糖途径中的转酮醇基及转醛醇基反应，使各种糖在体内得以互相转变。
五、 血糖及其调节
(一）血糖浓度
血液中的葡萄糖称为血糖。血糖含量随进食、运动等变化而有所波动，但空腹血糖水平相

当恒定，维持在3. 89〜6. llmmd/L之间。血糖浓度维持在恒定范围得益于血糖的来源与去
勺I 有重要意义。
血糖的来源主要有：
  1. 食物中的糖经消化吸收进入血中，这是血糖的主要来源。
  2. 肝糖原分解，这是空腹时血糖的直接来源。
  3. 糖异生作用。
  4. 其他的单糖，如果糖、半乳糖等单糖也可转变为葡萄糖，以补充血糖。
血糖的去路主要有：
  1. 葡萄糖在各组织中氧化分解供能，这是血糖的主要去路。
  2. 葡萄糖在肝、肌肉等组织中合成糖原。
  3. 转变为非糖物质，如脂肪、非必需氨基酸、多种有机酸等。
  4. 转变为其他糖及衍生物，如核糖、脱氧核糖、唾液酸、氨基糖等。
  5. 当血糖浓度过高时，超过了肾糖阈（约8. 89mmol/L)时，葡萄糖即由尿中排出，出现 糖尿。
(二） 胰岛素的调节
胰岛素是唯一降低血糖水平的激素。胰岛素的作用包括：
  1. 促进肌肉、脂肪组织细胞膜对葡萄糖的通透性，将葡萄糖转运入细胞。
  2. 加速糖原合成，抑制糖原分解。
  3. 促进糖的有氧氧化。
  4. 抑制肝内糖异生作用。
  5. 促进糖类转变为脂肪。
(三） 胰高血糖素的调节
胰高血糖素可以通过促进肝糖原分解，促进糖异生，加速脂肪动员，减少葡萄糖的氧化而 升高血糖。
(四） 糖皮质激素的调节
糖皮质激素可通过促进肝的糖异生作用，抑制肝外组织摄取和利用葡萄糖，协助促进脂肪 动员，间接抑制周围组织摄取葡萄糖而升高血糖。
第五节生物氧化
生物氧化是指物质在生物体内的氧化分解过程。