生物化學之糖代謝

第一章 生物化學

第四節 糖代謝

一、糖的分解代謝

（一）糖酵解的基本途徑、關鍵酶和生理意義（★★★）

1.糖酵解的基本途徑及關鍵酶

（1）第一階段

1）葡萄糖的磷酸化進入細胞內的葡萄糖首先在第6位碳上被磷酸化生成6-磷酸葡萄糖，磷酸根由ATP供給。催化此反應的酶是己糖激酶。己糖激酶催化的反應不可逆，反應需要消耗能量ATP，Mg2+是反應的激活劑。

2）6-磷酸葡萄糖的異構反應這是由磷酸己糖異構酶催化6-磷酸葡萄糖轉變為6-磷酸果糖的過程，此反應是可逆的。

3）6-磷酸果糖的磷酸化此反應是6磷酸果糖第一位上的C進一步磷酸化生成1,6－二磷酸果糖，磷酸根由ATP供給，催化此反應的酶是6-磷酸果糖激酶-1。

4）1.6二磷酸果糖裂解反應醛縮酶催化1.6-二磷酸果糖生成磷酸二羥丙酮和3-磷酸甘油醛，此反應是可逆的。

5）磷酸二羥丙酮的異構反應磷酸丙糖異構酶催化磷酸二羥丙酮轉變為3－磷酸甘油醛，此反應也是可逆的。到此1分子葡萄糖生成2分子3-磷酸甘油醛，通過兩次磷酸化作用消耗2分子ATP。

（2）第二階段

1）3-磷酸甘油醛氧化反應 此反應由3-磷酸甘油醛脫氫酶催化3-磷酸甘油醛氧化脫氫並磷酸化生成含有1個高能磷酸鍵的1，3－二磷酸甘油酸，本反應脫下的氫和電子轉給脫氫酶的輔酶NAD+生成NADH+H+，磷酸根來自無機磷酸。

2）1，3－二磷酸甘油酸的高能磷酸鍵轉移反應在磷酸甘油酸激酶催化下，1，3－二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸，同時其C1上的高能磷酸根轉移給ADP生成ATP，這種底物氧化過程中產生的能量直接將ADP磷酸化生成ATP的過程，稱為底物水平磷酸化。此激酶催化的反應是可逆的。

3）3-磷酸甘油酸的變位反應在磷酸甘油酸變位酶催化下3-磷酸甘油酸C3－位上的磷酸基轉變到C2位上生成2－磷酸甘油酸。此反應是可逆的。

4）2-磷酸甘油酸的脫水反應由烯醇化酶催化，2-磷酸甘油酸脫水的同時，能量重新分配，生成含高能磷酸鍵的磷酸烯醇式丙酮酸。本反應也是可逆的。

一（四章 5）磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸轉移在丙酮酸激酶催化下，磷酸烯醇式丙酮酸上的高能磷酸根轉移至ADP生成ATP，這是又一次底物水平上的磷酸化過程。但此反應是不可逆的。

【巧妙記憶】糖酵解的關鍵酶是己糖激酶、6-磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶。

糖酵解2次底物水平磷酸化：第一次1,3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸；第二次磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸+ATP。

2.

糖酵解的生理意義

（1）在缺氧的情況下供給機體能量；

（2）生理情況下為紅細胞、白細胞、神經和骨髓等供能；

（3）在某些病理情況下供能，如嚴重貧血、呼吸功能障礙和循環功能障礙等。

（二）糖有氧氧化的基本途徑、關鍵酶和生理意義（★★★）

1.糖的有氧氧化基本過程

在有氧的條件下，葡萄糖或糖原氧化生成CO2和H2O的過程稱為糖的有氧氧化，主要分為以下三個階段：

（1）葡萄糖或糖原的葡萄糖單位轉變為丙酮酸此過程與糖酵解過程相同；

（2）丙酮酸氧化生成乙醯輔酶A此過程在線粒體的內膜進行，由丙酮酸脫氫酶複合體催化；

（3）乙醯輔酶A進入三羧酸循環完全氧化生成CO2和H2O四步脫氫生成3個NADH+H+、一個FADH2、一步底物水平磷酸化生成GTP。三種關鍵酶是：檸檬酸合酶、異檸檬酸脫氫酶、α酮戊二酸脫氫酶複合體。

2.糖有氧氧化的生理意義

供能：是機體產生能量的主要方式，1分子葡萄糖在有氧氧化時共產生30~32個ATP，是糖酵解的18~19倍。

（三）三羧酸循環的生理意義（★★★）

1.三羧酸循環是機體獲取能量的主要方式。1個分子葡萄糖經無氧酵解僅凈生成2個分子ATP，而有氧氧化可凈生成32個ATP，其中三羧酸循環生成20個ATP，在一般生理條件下，許多組織細胞皆從糖的有氧氧化獲得能量。糖的有氧氧化不但釋能效率高，而且逐步釋能，並逐步儲存於ATP分子中，因此能的利用率也很高。

2.三羧酸循環是糖，脂肪和蛋白質三種主要有機物在體內徹底氧化的共同代謝途徑。三羧酸循環的起始物乙醯CoA，不但是糖氧化分解產物，它也可來自脂肪的甘油、脂肪酸和來自蛋白質的某些氨基酸代謝，因此三羧酸循環實際上是三種主要有機物在體內氧化供能的共同通路，估計人體內2/3的有機物是通過三羧酸循環而被分解的。

3.三羧酸循環是體內三種主要有機物互變的聯結機構。因糖和甘油在體內代謝可生成α-酮戊二酸及草醯乙酸等三羧酸循環的中間產物，這些中間產物可以轉變成為某些氨基酸；而有些氨基酸又可通過不同途徑變成α-酮戊二酸和草醯乙酸，再經糖異生的途徑生成糖或轉變成甘油，因此三羧酸循環不僅是三種主要的有機物分解代謝的最終共同途徑，而且也是它們互變的聯絡機構。

【巧妙記憶】三羧酸循環連接三大物質代謝，如同大圓盤，周而復始，意義重大。

二、糖原的合成與分解

糖原是體內糖的儲存形式，主要存在於肝臟和肌肉，分別稱為肝糖原和肌糖原。人體內糖原總量70~100g，肌糖原180～300g。肝糖原是用以維持血糖濃度，以供應全身利用，而肌糖原是供給肌肉本身產生ATP，維持其收縮功能。

（一）肝糖原的合成（★★★）

1.合成部位肝臟、肌肉組織。

2.合成過程分為五步如下

（1）活化：由葡萄糖在己糖激酶或葡萄糖激酶作用下生成6-磷酸葡萄糖，是一耗能過程。

（2）6-磷酸葡萄糖轉變為1-磷酸葡萄糖此反應在葡萄糖變位酶催化下完成。

（3）生成尿苷二磷酸葡萄糖在尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶作用下，1-磷酸葡萄糖與UTP作用，生成尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG），釋放出焦磷酸。焦磷酸被焦磷酸酶迅速水解，使反應向糖原合成方向進行，同時消耗1個高能磷酸鍵。

（4）從UDPG合成糖原UDPG中的葡萄糖單位在糖原合酶作用下，轉移到細胞內原有的較小的糖原引物上，在非還原端以α-1，4-糖苷鍵連接。每反應一次，糖原引物上即增加一個葡萄糖單位。糖原引物是在一種被稱為糖原引物蛋白分子上形成的，這種蛋白質能對其自身進行共價修飾，即它的分子中第194位酪氨酸殘基的酚羥基被糖基化，形成葡聚糖鏈，作為糖原合成時UDPG中葡萄糖基的接受體，此接受體即為糖原引物。

（5）形成分支糖原合成酶只能催化形成α-1，4-糖苷鍵，當糖鏈長度達到12～18個葡萄糖殘基時，由分枝酶使末端含6～7個葡萄糖的糖鏈轉移，以α-1，6-糖苷鍵連接，形成分枝。由糖原合成酶與分枝酶催化的反應不斷進行，使作為引物的糖原分子不斷延長，並增加新的分支。

3.關鍵酶糖原合酶，分為兩種形式

糖原合酶a：有活性，是去磷酸化的，經磷酸化后變成糖原合酶b失去活性；

糖原合酶b：無活性，是磷酸化的，經去磷酸化后變成有活性的糖原合酶a。

4.糖原合成反應的特點

（1）糖原合成的反應部位在胞漿（肌肉、肝臟）；關鍵酶是糖原合成酶；原料：G（葡萄糖），UDP，ATP；產物是Gn，生理意義是儲存能量。

（2）糖原合酶催化的糖原合成反應不能從頭開始，需要至少含4個葡萄糖殘基的α-1,4-葡聚糖作為引物。

（3）糖原合酶是糖原合成過程的限速酶，其活性受共價修飾和變構的調節。

（4）UDPG是活潑葡萄糖基的直接供體，其生成過程中要消耗ATP和UTP，在糖原引物上每增加1個新的葡萄糖單位，要消耗2個高能磷酸鍵。

（5）葡萄糖進入細胞合成糖原過程中，伴有K＋轉移入細胞，使血K＋趨於降低。因此，輸注胰島素和大量葡萄糖時，要注意防止出現低血鉀。據此，血鉀過高的患者，也可採用輸注葡萄糖和少量胰島素的方法降低血鉀。

【巧妙記憶】 糖原合成在胞漿，關鍵酶糖原合成酶。

（二）肝糖原的分解（★★★）

1.分解部位肝臟、肌肉、腎

2.分解過程如下所示

（1）糖原分解為1-磷酸葡萄糖從糖原分子的非還原端開始，由磷酸化酶催化α-1,4-糖苷鍵分解，逐個生成1-磷酸葡萄糖。上述反應不斷進行，α-1,4-糖苷鍵逐漸被水解，糖原分子逐漸變小，直至距糖原分支部位4個葡萄糖單位為止。

（2）脫掉分支當反應進行到葡萄糖鏈距分枝處只剩4個葡萄糖單位時，脫枝酶（轉移酶）將3個葡萄糖單位轉移到其它分枝的非還原未端，以α-1,6-糖苷鍵相連的最後一個葡萄糖繼續由脫枝酶水解生成遊離的葡萄糖。至此，在磷酸化酶與脫枝酶的協同和反覆作用下，完成糖原分解過程。

（3）1-磷酸葡萄糖在變位酶作用下轉變為6-磷酸葡萄糖，在空腹和飢餓（10~12h）時，肝糖原分解為葡萄糖釋放入血，以維持血糖濃度恆定。糖原分解時，伴有細胞內K＋的釋放。

（4）6-磷酸葡萄糖在葡萄糖-6-磷酸酶作用下水解為葡萄糖葡萄糖-6-磷酸酶只存在於肝臟和腎臟，肌肉組織中無此酶，因此肌糖原不能分解為葡萄糖，而只有肝、腎組織中的糖原能夠分解為葡萄糖。

3.關鍵酶 糖原磷酸化酶，該酶也存在兩種形式：糖原磷酸化酶a：有活性，由二聚體變成四聚體，是磷酸化的；糖原磷酸化酶b：無活性，是二聚體，是去磷酸化的。

4.糖原分解的特點 （1）水解反應在糖原的非還原端進行；（2）是非耗能過程；（3）關鍵酶是糖原磷酸化酶，為一共價修飾酶，其輔酶是磷酸吡哆醛。

三、糖異生

（一）糖異生的基本途徑和關鍵酶（★★★）

1.原料 有乳酸、甘油、生糖氨基酸、GTP、ATP及丙酮酸

2.部位 肝腎（胞漿和線粒體）

3.基本途徑 糖異生途徑基本上是糖酵解的逆過程，但並不完全相同。糖酵解途徑中大多數催化反應是可逆，只有已糖激酶（糖酵解反應1）、6-磷酸果糖激酶-1（糖酵解反應4）和丙酮酸激酶（糖酵解反應11）所催化的三步反應均為不可逆的步驟，在糖異生過程中這些步驟將被別的旁路反應所代替。

4.關鍵酶 葡萄糖-6-磷酸酶、果糖二磷酸酶-1、丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶，其中丙酮酸羧化酶最重要。

（二）糖異生的生理意義（★★★）

1.維持血糖濃度恆定 體內儲存的糖原有限，實驗證明，禁食12~24小時后，肝糖原耗盡，糖異生顯著增強，成為血糖的主要來源，維持血糖水平正常。

2.補充肝糖原 由於肝葡萄糖激酶Km值高，攝取葡萄糖能力弱，即便進食以後也有相當一部分葡萄糖是先分解成丙酮酸、乳酸等三碳化合物，再異生成糖原，此途徑稱為糖原合成的三碳途徑。

3.調節酸鹼平衡 在劇烈運動或某些原因導致缺氧時，肌糖原酵解產生大量乳酸，引起組織pH降低，通過乳酸循環的糖異生作用，在肝臟將酸性的乳酸轉變為中性的葡萄糖，防止酸中毒。

（三）乳酸循環（★★★）

1.乳酸循環 又稱為Cori循環，在肝組織，糖異生活躍。因葡萄糖-6-磷酸酶活性高，能水解6-磷酸葡萄糖，釋放葡萄糖；在肌肉組織，因無葡萄糖-6-磷酸酶，因此肌肉乳酸不能異生為葡萄糖。

2.乳酸循環是一耗能過程 2分子乳酸異生為葡萄糖，需消耗6分子ATP。

3.乳酸循環的生理意義 避免損失乳酸以及防止乳酸堆積引起酸中毒，既回收了乳酸中的能量，又重新積累了儲存的糖原，對身體能量的利用很有意義。

四、磷酸戊糖途徑

（一）磷酸戊糖途徑的關鍵酶和重要的產物

1.反應部位 細胞液

2.反應步驟

6-磷酸葡萄糖

↓6-磷酸葡萄糖，脫氫，生成NADPH和H+

6-磷酸葡萄糖酸

↓6-磷酸葡萄糖，脫氫，生成1個分子NADPH

5-磷酸葡萄糖和NADPH

3.關鍵酶 催化第一步脫氫反應的是6-磷酸葡萄糖脫氫酶是代謝途徑的關鍵酶

4.重要的產物 （1）兩次脫氫由NADP+接受生成NADPH+H+；（2）反應生成的磷酸戊糖為核酸的合成提供原料。

（二）磷酸戊糖途徑的生理意義（★★★）

1.為核酸的生物合成提供核糖5-磷酸核糖是核酸和核苷酸的組成成分。它既可由磷酸戊糖途徑生成，也可通過糖分解代謝的中間產物6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛經前述基團轉移反應的逆反應生成，但在人體主要是經前一過程生成。肌組織缺乏6-磷酸葡萄糖脫氫酶，磷酸核糖則靠基團轉移反應生成。

2.提供NADPH作為供氫體參與多種代謝反應；

（1）NADPH是體內許多合成代謝的供氫體，如乙醯輔酶A合成脂酸、膽固醇，合成非必需氨基酸；

（2）NADPH參與體內的羥化反應如從鯊烯合成膽固醇，從膽固醇合成膽汁酸、類固醇激素等；

（3）NADPH用於維持谷胱甘肽的還原狀態。

3.提供能量 必要時可通過轉氫酶作用，使NAD還原成NADH，後者通過呼吸鏈和氧化磷酸化過程，即可生成ATP提供能量需要。

、 五、血糖及其調節

（一）血糖濃度

1.正常的血糖水平正常血糖水平為3.89~6.11mmol/L，血糖<3.0mmol/L為低血糖，血糖>6.9mmol/L為高血糖。

2.血糖的來源食物的消化吸收、肝糖原的分解和糖異生。

3.血糖的去路無氧酵解、戊糖旁路、轉化為脂肪和氨基酸、合成為糖原。

（二）胰島素的調節

血糖水平的保持穩定是糖、脂肪、氨基酸代謝協調的結果，也是肝、肌、脂肪組織

各器官組織代謝協調的結果。其次調節血糖的水平的還有以下幾種激素：

1.胰島素是體內唯一的一種降糖激素。

2.胰高血糖素、糖皮質激素、腎上腺激素、生長激素這幾種激素都是可以升高血糖的激素。

（三）胰高血糖素的調節

1.促進肝糖原的分解，而抑製糖原的合成；

2.抑製糖酵解途徑，促進糖異生；

3.促進脂肪的動員。

（四）糖皮質激素的調節

1.促進蛋白質（氨基酸）、脂肪的分解以升高血糖；

2.促使脂肪組織的再體內的重新分佈；

3.抑制肝外組織攝取和利用葡萄糖。

4.對兒茶酚胺的允許作用，間接的促進血糖的升高。

【經典習題】

1.不參與三羧酸循環的化合物是

A.α-酮戊二酸

B.草醯乙酸

C.丙二酸

D.檸檬酸

E.琥珀酸

答案：C

考點：糖有氧氧化基本途徑及供能

解析：三羧酸循環是一個由一系列酶促反應構成的循環反應系統，在該反應過程中，首先由乙醯CoA與草醯乙酸（B對）縮合生成檸檬酸（D對）。檸檬酸經順烏頭酸轉變為異檸檬酸，異檸檬酸氧化脫羧轉變為α-酮戊二酸（A對）。α-酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀酸CoA。琥珀酸CoA合成酶催化底物水平磷酸化反應，產物為琥珀酸（E對）。琥珀酸脫氫生成延胡索酸，延胡索酸加水生成蘋果酸，蘋果酸脫氫生成草醯乙酸。故選C。

2.糖酵解的關鍵酶是

A.磷酸甘油酸激酶

B.丙酮酸脫氫酶

C.6-磷酸果糖激酶-1

D.3-磷酸甘油醛脫氫酶

E.乳酸脫氫酶

答案：C

考點：糖的分解代謝

解析： 糖酵解關鍵酶是己糖激酶、6-磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶。故選C。