第二篇 物质代谢及其调节
第六章 糖代谢
6.1 复习笔记
一、糖的吸收
糖吸收主要是在小肠中进行。小肠以单糖形式吸收，是主动转运（依赖葡糖转运蛋白GLUT）过程。
二、糖的无氧氧化
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）
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
（1）葡萄糖的磷酸化
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）6-磷酸葡萄糖异构化形成6-磷酸果糖
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。
（3）6-磷酸果糖形成果糖-1,6二磷酸
磷酸果糖激酶-1催化6-磷酸果糖再次磷酸化，生成1,6二磷酸果糖，需ATP和Mg2＋，反应不可逆。（限速步骤）
（4）1,6二磷酸果糖的裂解
醛缩酶催化1,6二磷酸果糖裂解成两分子磷酸丙糖，即3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮，反应可逆。
（5）二羟丙酮磷酸转变为甘油醛-3-磷酸
磷酸丙糖异构酶催化磷酸二羟丙酮异构化，生成3-磷酸甘油醛。
（6）3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸
由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化完成，反应中同时涉及脱氢和磷酸化。
（7）3-磷酸甘油酸和ATP的生成
磷酸甘油酸激酶催化1,3-二磷酸甘油酸分子中C1上具高能键的磷酸基团转移到ADP上，生成3-磷酸甘油酸和ATP，需Mg2＋，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）3-磷酸甘油酸异构为2-磷酸甘油酸
磷酸甘油酸变位酶催化3-磷酸甘油酸C3上的磷酸基团转移到分子内的C2原子上，生成2-磷酸甘油酸，需Mg2＋，反应可逆。
（9）磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的生成
烯醇化酶催化2-磷酸甘油酸脱去一分子水，生成PEP。
（10）丙酮酸和ATP的生成
丙酮酸激酶催化PEP上的磷酸基团转移至ADP生成ATP（第二次底物水平磷酸化），同时PEP形成烯醇式丙酮酸，需K＋和Mg2＋，反应不可逆。（限速步骤）
表6-1 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。
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。
3糖酵解的调节
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。
5糖酵解过程中能量的变化
表6-2 糖酵解中ATP的消耗和产生
6其他单糖可转变成糖酵解的中间产物
（1）果糖
①肌和脂肪组织：果糖→6-磷酸果糖。
②肝：果糖→果糖-1-磷酸→磷酸二羟丙酮＋甘油醛（B型醛缩酶催化）→3-磷酸甘油醛。
（2）半乳糖
半乳糖→1-磷酸葡萄糖→6-磷酸葡萄糖。
（3）甘露糖
甘露糖→6-磷酸果糖。
三、糖的有氧氧化
1定义
糖的有氧氧化是指机体利用氧将葡萄糖彻底氧化成CO2和H2O的反应过程。
2过程
（1）葡萄糖→丙酮酸（糖酵解）（第一阶段）
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）丙酮酸→乙酰CoA（氧化脱羧反应）（第二阶段）
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）乙酰CoA进入柠檬酸循环及氧化磷酸化生成ATP（第三阶段）
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循环反应过程，又称柠檬酸循环（Krebs循环、TCA循环）。
3柠檬酸循环
（1）过程（表6-3）
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6-3 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6-4）
表6-4 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6-5 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。
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糖原合成
（1）过程
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。G-6-P经磷酸葡萄糖变位酶先转化为G-1-P，然后在UDPG焦磷酸化酶作用下生成UDPG，此物质是糖原合成的葡萄糖供体。
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，反应不可逆；
b．由糖原分支酶完成糖原分支的形成：在直链上断开α-1,4糖苷键；形成以α-1,6糖苷键相连的分支。
（2）能量
共消耗2个ATP（葡萄糖磷酸化和焦磷酸水解成2分子磷酸时各消耗1个ATP）。
2糖原分解
（1）定义
糖原分解为6-磷酸葡萄糖或葡葡萄糖的过程称为糖原分解，它不是糖原合成的逆反应。
（2）酶的作用位点
①糖原磷酸化酶
只作用于α-1,4-糖苷键，只能分解糖原的直链。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。
②脱支酶
分解分支处的剩下的1个α-1,6糖苷键。
3糖原的合成与分解的调控（表6-6）
糖原合成与糖原分解途径通过关键酶的调节相互制约。其中糖原分解在肝内主要受胰高血糖素调节，在骨骼肌内主要受肾上腺素的调节；糖原合成主要受细胞能量代谢状态的调节，ATP/AMP增高促进糖原合成，反之抑制糖原合成。
表6-6 糖原的合成与分解的调控
七、糖异生
1定义
糖异生是指非糖物质（乳酸、甘油、生糖氨基酸等）转变为葡萄糖或糖原的过程。
2过程（丙酮酸转变为葡萄糖）
丙酮酸转变为葡萄糖所经历的反应，绝大部分是糖酵解的逆过程，在糖酵解中，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，糖异生作用需要绕过这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。
3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。）
4糖异生的调控（表6-7）
糖异生与糖酵解相互协调，使代谢朝着一方进行。这种协调主要依赖对2个底物循环的调节，底物循环即一对催化两个途径的中间代谢物之间循环的方向相反、代谢上不可逆的反应。
（1）第一个底物循环：在6-磷酸果糖与果糖-1,6二磷酸之间进行。
（2）第二个底物循环：在磷酸烯醇式丙酮酸与丙酮酸之间进行。
表6-7 糖异生与糖酵解相互协调
5生理意义
（1）维持血糖恒定（最主要的作用）。
（2）补充或恢复肝糖原储备的重要途径。
（3）肾糖异生增强有利于维持酸碱平衡。
6乳酸循环
（1）定义
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（图6-1）。
图6-1 乳酸循环
（2）形成原因——肝和肌组织中酶的特点不同
①肝内糖异生活跃，并且有6-磷酸葡萄糖酶将6-磷酸葡萄糖水解生成葡萄糖；
②肌内糖异生活性低，且没有6-磷酸葡萄糖酶，因此肌内生成的乳酸不能异生释出葡萄糖。
（3）生理意义
①回收乳酸中的能量；
②避免因乳酸堆积而引起酸中毒。
（4）能量变化
耗能过程：2分子乳酸异生成葡萄糖需消耗6分子ATP。
八、血糖及其调节
1血糖的来源和去路（图6-2）
图6-2 血糖的来源和去路
2血糖水平的平衡主要受激素调节
（1）降血糖的激素
胰岛素是体内唯一能降低血糖的激素。
（2）升血糖激素
胰高血糖素、肾上腺素、糖皮质激素。
3血糖水平异常
临床上因糖代谢障碍可引起低血糖或高血糖。其中，糖尿病是最常见的糖代谢紊乱疾病。