糖糖 代代 谢谢Metabolism of CarbohydratesThe biochemistry and molecular biology department of CMU第第 四四 章章糖的概念糖的概念糖糖(carbohydrates)即即碳碳水水化化合合物物，其其化化学学本本质质为为多多羟羟醛醛或或多多羟羟酮酮类及其衍生物或多聚物。类及其衍生物或多聚物。葡萄糖（葡萄糖（glucose）结构）结构醛糖酮糖互变异构醛糖酮糖互变异构第第 一一 节节 概概 述述Introduction 一、糖的生理功能一、糖的生理功能1. 提供能源提供能源3. 构成细胞的成分构成细胞的成分2. 提供碳源提供碳源4. 构成某些生物活性物质构成某些生物活性物质二、糖代谢的概况二、糖代谢的概况葡萄糖转运体葡萄糖转运体（Glucose transporters，GLUT） 有有GLUT15五种。五种。 GLUT1: 主要存在于主要存在于RBC GLUT4: 主要存在于脂肪组织和肌肉主要存在于脂肪组织和肌肉糖代谢的概况糖代谢的概况 葡萄糖葡萄糖 酵解途径酵解途径 丙酮酸丙酮酸 有氧有氧 无氧无氧 乳酸乳酸 糖异生途径糖异生途径 乳酸、氨基酸、甘油乳酸、氨基酸、甘油 糖原糖原 肝糖原分解肝糖原分解 糖原合成糖原合成 磷酸戊糖磷酸戊糖途径途径磷酸磷酸核糖核糖 + NADPH+H+淀粉淀粉消化与吸收消化与吸收 H2OCO2 ATP 第第 二二 节节 糖的无氧分解糖的无氧分解Glycolysis * 糖糖酵酵解解(glycolysis)的的定定义义在在缺缺氧氧情情况况下下，葡葡萄萄糖糖生生成成乳乳酸酸(lactate)的过程称之为的过程称之为糖酵解糖酵解。 葡萄糖葡萄糖乳酸乳酸无氧无氧一、糖酵解的反应过程一、糖酵解的反应过程葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸乳酸乳酸酵解途径酵解途径反应部位：胞浆反应部位：胞浆第一阶段第一阶段第二阶段第二阶段大体过程：大体过程：（一）葡萄糖分解成丙酮酸（一）葡萄糖分解成丙酮酸1. 葡萄糖葡萄糖磷酸化为磷酸化为6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖（glucose-6-phosphate, G-6-P)磷酸化使葡萄糖不能自由逸出细胞；磷酸化使葡萄糖不能自由逸出细胞；己糖激酶己糖激酶 (hexokinase, HK) 分四型，肝中分四型，肝中为葡萄糖激酶为葡萄糖激酶 (glucokinase, GK)；反应反应不可逆不可逆。 己糖激酶己糖激酶 葡萄糖激酶葡萄糖激酶存在部位存在部位 肝外组织肝外组织 肝肝Km 值值 0.1mmol/L 10mmol/L底物底物 G, 果糖果糖, 甘露糖甘露糖 G调节调节 G-6-P反馈抑制反馈抑制 胰岛素诱导胰岛素诱导己糖激酶和葡萄糖激酶的比较己糖激酶和葡萄糖激酶的比较 2. 6-磷酸葡萄糖异构为磷酸葡萄糖异构为6-磷酸果糖磷酸果糖 (fructose-6-phosphate, F-6-P)3. 6-磷酸果糖转变成磷酸果糖转变成1,6-二磷酸果糖二磷酸果糖 (1,6-fructose-biphosphate, F-1,6-BP)是第二个磷酸化反应，反应是第二个磷酸化反应，反应不可逆不可逆。磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶-1 (phosphofructo-kinase-1, PFK-1)是糖酵解的是糖酵解的限速酶限速酶。4. 磷酸己糖裂解成磷酸己糖裂解成2分子磷酸丙糖分子磷酸丙糖反应可逆反应可逆, 由醛缩酶由醛缩酶(aldolase)催化催化5. 磷酸丙糖同分异构化磷酸丙糖同分异构化磷酸丙糖异构酶（磷酸丙糖异构酶（triose phosphate isomerase)G2分子分子3-磷酸甘油醛，消耗磷酸甘油醛，消耗2分子分子ATP。6. 3-磷酸甘油醛氧化为磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸l醛基氧化成羧基，并加入一分子磷酸，形成醛基氧化成羧基，并加入一分子磷酸，形成混合酸酐。脱下的氢由混合酸酐。脱下的氢由NAD+接受。接受。7. 1,3-二磷酸甘油酸转变成二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸此步为此步为底物水平磷酸化底物水平磷酸化反应可逆反应可逆8. 3-磷酸甘油酸转变为磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸9. 2-磷酸甘油酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸磷酸甘油酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)反应引起分子内能量重新分布，形成高能磷反应引起分子内能量重新分布，形成高能磷酸键。酸键。10. PEP转变成丙酮酸（转变成丙酮酸（pyruvate)第二个第二个底物水平磷酸化底物水平磷酸化，反应，反应不可逆不可逆。烯醇式立即自发转变为酮式。烯醇式立即自发转变为酮式。 （二）丙酮酸转变成乳酸（二）丙酮酸转变成乳酸(lactate)此为还原反应，此为还原反应，NADH+H+来自于来自于3-磷酸磷酸甘油醛脱氢。甘油醛脱氢。 乳酸是糖酵解的终产物乳酸是糖酵解的终产物。糖酵解的全过程糖酵解的全过程总反应总反应： C6H12O6 + 2ADP + 2Pi 2CH3CHOHCOOH + 2ATP + 2H2OATP的生成：的生成：糖酵解时，糖酵解时，1mol葡萄糖共生成葡萄糖共生成4molATP，净生成净生成2molATP其它单糖的酵解其它单糖的酵解二、糖酵解的调节二、糖酵解的调节（一）（一）6-磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶-1（PFK-1）最重要最重要F-2,6-BP的生成的生成PFK-2是一种双功能酶，磷酸化后激酶活性是一种双功能酶，磷酸化后激酶活性下降，磷酸酶活性升高。下降，磷酸酶活性升高。（二）丙酮酸激酶（二）丙酮酸激酶变构调节：变构调节：F-1,6-BP为变构激活剂；为变构激活剂；ATP和肝内和肝内Ala为变构抑制剂。为变构抑制剂。共价修饰调节：胰高血糖素通过共价修饰调节：胰高血糖素通过cAMP和和PKA使其磷酸化而抑制其活性。使其磷酸化而抑制其活性。 （三）葡萄糖激酶及己糖激酶（三）葡萄糖激酶及己糖激酶G-6-P 可反馈抑制己糖激酶可反馈抑制己糖激酶.胰岛素可诱导胰岛素可诱导葡萄糖激酶的合成葡萄糖激酶的合成.（一）机体缺氧时的主要供能方式。（一）机体缺氧时的主要供能方式。（二）机体供氧充足情况下少数组织的（二）机体供氧充足情况下少数组织的能量来源。如成熟红细胞、神经、能量来源。如成熟红细胞、神经、白细胞、骨髓、肿瘤细胞等。白细胞、骨髓、肿瘤细胞等。另外，肝脏酵解途径的主要功能是另外，肝脏酵解途径的主要功能是为其他代谢提供合成原料。为其他代谢提供合成原料。三、糖酵解的生理意义三、糖酵解的生理意义Aerobic Oxidation of Glucose第三节第三节糖的有氧氧化糖的有氧氧化 葡萄糖在葡萄糖在有氧条件有氧条件下，彻底氧化成下，彻底氧化成水水和和CO2的反应过程称为的反应过程称为有氧氧化有氧氧化。这。这是糖氧化的主要方式。是糖氧化的主要方式。一、一、有氧氧化的反应过程有氧氧化的反应过程分为三个阶段：分为三个阶段：（一）（一） 丙酮酸的氧化脱羧丙酮酸的氧化脱羧经脱氢、脱羧、酰化生成乙酰经脱氢、脱羧、酰化生成乙酰CoA，这是不可逆反应。在线粒体内进行。这是不可逆反应。在线粒体内进行。丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体 二氢硫辛酰胺转乙酰酶二氢硫辛酰胺转乙酰酶由由三种酶三种酶组成组成 丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶 二氢硫辛酰胺脱氢酶二氢硫辛酰胺脱氢酶五种辅助因子五种辅助因子：TPP（VB1）、）、NAD+（Vpp）、）、硫辛酸、硫辛酸、FAD（VB2）、）、HSCoA（泛酸）泛酸）HSCoANAD+丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体辅酶辅酶A结构结构由乙酰由乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸开始，与草酰乙酸缩合成柠檬酸开始，经反复脱氢、脱羧再生成草酰乙酸的循环反经反复脱氢、脱羧再生成草酰乙酸的循环反应过程。又称柠檬酸循环和应过程。又称柠檬酸循环和Krebs循环。循环。部位：线粒体基质部位：线粒体基质（二）（二） 三羧酸循环三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle)1. 三羧酸循环的反应过程三羧酸循环的反应过程Citrate cycle三羧酸循环小结：三羧酸循环小结：Reducing equivalents在在TAC中，中，1分子乙酰分子乙酰CoA经经2次脱羧次脱羧，生，生成成2个个CO2，这是体内这是体内CO2的主要来源；的主要来源；4次脱氢次脱氢，其中，其中3次以次以NAD+为受氢体，为受氢体，1次次以以FAD为受氢体；为受氢体；1次底物水平磷酸化次底物水平磷酸化。总反应式：总反应式：乙酰乙酰CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+3NADH+3H+FADH2+GTP+ HSCoA 三三羧酸循环的特点羧酸循环的特点在有氧条件下进行，产生的还原当量经在有氧条件下进行，产生的还原当量经氧化磷酸化可产生氧化磷酸化可产生ATP，是产生是产生ATP的的主要途径。主要途径。不可逆。不可逆。中间产物的回补：中间产物的回补：主要是丙酮酸羧化成草酰乙酸；主要是丙酮酸羧化成草酰乙酸；其次为丙酮酸还原成苹果酸其次为丙酮酸还原成苹果酸,再生成草再生成草酰乙酸。酰乙酸。2. 三羧酸循环的生理意义三羧酸循环的生理意义三大营养物质的三大营养物质的共同氧化途径。共同氧化途径。 三大物质代谢联系的枢纽。三大物质代谢联系的枢纽。二、二、 有氧氧化生成有氧氧化生成的的ATPG 2丙酮酸：净产生丙酮酸：净产生6或或8个个ATP。丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoA：产生产生3个个ATP。TAC: 一分子乙酰一分子乙酰CoA经经TAC产生产生3 （NADH + H+）和）和1个个FADH2，加上底物加上底物水平磷酸化生成水平磷酸化生成1个高能磷酸键，共产生个高能磷酸键，共产生12个个ATP。结论：结论：1molG彻底氧化成彻底氧化成CO2和和H2O，可可净生成净生成36或或38mol ATP。 三三 、有氧氧化的调节、有氧氧化的调节 除对酵解途径三个关键酶的调节外，还对除对酵解途径三个关键酶的调节外，还对丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体、柠檬酸合酶柠檬酸合酶、异柠异柠檬酸脱氢酶檬酸脱氢酶和和 -酮戊二酸脱氢酶复合体酮戊二酸脱氢酶复合体四四个关键酶存在调节。个关键酶存在调节。 1. 丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体变构变构调节：调节：共价修饰调节：共价修饰调节：磷酸化失活；胰岛素和磷酸化失活；胰岛素和Ca2+促进其去磷酸化，促进其去磷酸化，使其活性增加。使其活性增加。2. 柠檬酸合酶柠檬酸合酶变构变构激活剂：激活剂：ADP变构抑制剂：变构抑制剂：NADH、琥珀酰琥珀酰CoA、柠檬柠檬酸、酸、ATP3. 异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶变构激活剂：变构激活剂：ADP、Ca2+变构抑制剂：变构抑制剂：ATP4. 酮戊二酸脱氢酶复合体酮戊二酸脱氢酶复合体与与丙酮酸脱氢酶复合体相似。丙酮酸脱氢酶复合体相似。总体说，总体说，氧化磷酸化促进氧化磷酸化促进TAC。ATP/ADP，抑制抑制TAC，氧化磷酸化氧化磷酸化； ATP/ADP，促进促进TAC，氧化磷酸化氧化磷酸化。 四、巴斯德效应四、巴斯德效应有氧氧化抑制糖酵解。关键有氧氧化抑制糖酵解。关键在在NADH。 第第 四四 节节磷酸戊糖途径磷酸戊糖途径pentose phosphate pathway一、磷酸戊糖途径的反应过程一、磷酸戊糖途径的反应过程在在胞浆胞浆中进行。中进行。TPP是转酮醇酶的辅酶。是转酮醇酶的辅酶。 总反应式：总反应式：3G-6-P+6NADP+ 2F-6-P+3-磷酸甘磷酸甘油醛油醛 + 6NADPH + 6H+ + 3CO2 二、二、 磷酸戊糖途径的调节磷酸戊糖途径的调节6-磷酸葡萄糖脱氢酶磷酸葡萄糖脱氢酶为为限速酶限速酶。NADPH/NADP+，此途径抑制；此途径抑制；NADPH/NADP+，此途径激活。此途径激活。三、磷酸戊糖途径的生理意义三、磷酸戊糖途径的生理意义1为核酸的生物合成提供核糖。为核酸的生物合成提供核糖。 2提供提供NADPH作为供氢体参与多种代谢反作为供氢体参与多种代谢反应。应。 NADPH是体内许多合成代谢的供氢体；是体内许多合成代谢的供氢体； NADPH参与体内羟化反应；参与体内羟化反应；NADPH用于维持谷胱甘肽的还原状态。用于维持谷胱甘肽的还原状态。第五节第五节糖原的合成与分解糖原的合成与分解Glycogen synthesis and catabolism糖原糖原 (glycogen) 是糖的贮存形式。是糖的贮存形式。 糖原分子只有一个还原端。糖原的合成分解糖原分子只有一个还原端。糖原的合成分解都是在都是在非还原端非还原端上进行的。上进行的。 -1,4-糖苷键糖苷键还原端还原端 -1,6-糖苷键糖苷键非还原端非还原端一、一、 糖原的合成代谢糖原的合成代谢 (glycogenesis)UDPG是是G的活化形式，是的活化形式，是G活性供体。活性供体。糖原合成中，每增加一个糖原合成中，每增加一个G单位消耗单位消耗2个个P。 糖原合酶是关键酶糖原合酶是关键酶。 UDPG糖原分支的形成：糖原分支的形成：二、糖原的分解代谢二、糖原的分解代谢糖原分解（糖原分解（glycogenolysis）习惯上指肝习惯上指肝糖原分解成糖原分解成G。磷酸化酶是糖原分解的关键酶磷酸化酶是糖原分解的关键酶。肌肉中肌肉中无无葡萄糖葡萄糖-6-磷酸酶磷酸酶。糖原的糖原的G单位酵解单位酵解净产生净产生3个个ATP。非还原端非还原端 -1, ,6-糖苷键糖苷键糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶Glucose脱支酶的脱支酶的转移酶活性转移酶活性脱支酶的作用脱支酶的作用脱支酶的脱支酶的 -1,6-1,6-糖苷糖苷酶活性酶活性 脱支酶含有葡聚糖转移酶和脱支酶含有葡聚糖转移酶和 -1，6-葡萄葡萄糖苷酶两种活性。糖苷酶两种活性。在磷酸化酶和脱支酶共同作用下，糖原在磷酸化酶和脱支酶共同作用下，糖原分解的终产物分解的终产物是是G-1-P和葡萄糖和葡萄糖。三、糖原合成与分解的调节三、糖原合成与分解的调节（一）共价修饰：（一）共价修饰：胰高血糖素和肾上腺素通过促进糖胰高血糖素和肾上腺素通过促进糖原分解和抑制糖原合成升高血糖。原分解和抑制糖原合成升高血糖。（二）变构调节（二）变构调节 胰高血糖素和肾上腺素升高血糖的机制胰高血糖素和肾上腺素升高血糖的机制胰高血糖素胰高血糖素肾上腺素肾上腺素ACcAMPG 蛋白蛋白受体受体PKA糖原分解糖原分解磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶 糖原合酶糖原合酶糖原合成糖原合成血糖血糖磷酸化酶磷酸化酶四、糖原累积症四、糖原累积症由于先天缺乏糖原代谢的有关酶，造成由于先天缺乏糖原代谢的有关酶，造成某些组织器官糖原大量堆积。某些组织器官糖原大量堆积。第六节第六节糖异生糖异生gluconeogenesis概念概念：由：由非糖物质非糖物质转变为转变为葡萄糖或糖葡萄糖或糖原原的过程称为糖异生。的过程称为糖异生。原料原料：乳酸、甘油、丙酮酸和生糖氨：乳酸、甘油、丙酮酸和生糖氨基酸等。基酸等。部位部位：主要在肝脏，其次是肾脏。：主要在肝脏，其次是肾脏。 一、糖异生途径一、糖异生途径从从丙酮酸生成丙酮酸生成G的具体反应过程的具体反应过程称为糖异生途径。基本上是糖酵解的称为糖异生途径。基本上是糖酵解的逆过程，但是糖酵解途径的三个关键逆过程，但是糖酵解途径的三个关键酶催化的反应是放能的不可逆反应，酶催化的反应是放能的不可逆反应，又叫能障。需要另外的酶催化绕过这又叫能障。需要另外的酶催化绕过这三个能障。三个能障。1. 1. 丙酮酸羧化支路丙酮酸羧化支路草酰草酰乙酸出线粒体的方式乙酸出线粒体的方式：草酰草酰乙酸乙酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸Asp2. F-1, 6-BP F-6-P3. G-6-P G二、糖异生的调节二、糖异生的调节 胰高血糖素促进糖异生，抑制糖分解。胰高血糖素促进糖异生，抑制糖分解。胰岛素则作用相反。胰岛素则作用相反。三、糖异生的生理意义三、糖异生的生理意义 （一）维持血糖浓度恒定（一）维持血糖浓度恒定（二）补充肝糖原（二）补充肝糖原（三）调节酸碱平衡（三）调节酸碱平衡各种物质的糖异生各种物质的糖异生乳酸乳酸丙酮酸；丙酮酸；Ala 丙酮酸；丙酮酸；生糖氨基酸生糖氨基酸 TAC中的各种羧酸中的各种羧酸草酰乙草酰乙酸；酸；甘油甘油 -磷酸甘油磷酸甘油磷酸二羟丙酮。磷酸二羟丙酮。四、乳酸循环四、乳酸循环 当当肌肉在缺氧或剧烈运动时，肌糖原经酵解肌肉在缺氧或剧烈运动时，肌糖原经酵解产生大量乳酸，通过血液循环运到肝脏，在产生大量乳酸，通过血液循环运到肝脏，在肝内异生为葡萄糖，葡萄糖可再经血液返回肝内异生为葡萄糖，葡萄糖可再经血液返回肌肉利用，这个循环称为乳酸循环，也叫肌肉利用，这个循环称为乳酸循环，也叫Cori循环循环。意义：防止酸中毒；利于乳酸再利用。意义：防止酸中毒；利于乳酸再利用。2分子乳酸异生成分子乳酸异生成G共消耗共消耗6个个ATP。乳酸循环乳酸循环第七节第七节血糖及其调节血糖及其调节Blood Sugar and Its Regulation一、血糖的来源和去路一、血糖的来源和去路二、血糖水平的调节二、血糖水平的调节（一）胰岛素：是唯一降血糖的激素。一）胰岛素：是唯一降血糖的激素。（二）胰高血糖素：是体内主要升高血糖的激（二）胰高血糖素：是体内主要升高血糖的激素。素。（三）糖皮质激素：升高血糖的激素。（三）糖皮质激素：升高血糖的激素。（四）肾上腺素：是强有力的升高血糖激素。（四）肾上腺素：是强有力的升高血糖激素。主要在应激状态下发挥作用。主要在应激状态下发挥作用。三、血糖水平异常三、血糖水平异常（一）高血糖及糖尿症一）高血糖及糖尿症空腹血糖水平高于空腹血糖水平高于7.227.78mmol/L称为称为高血糖。高血糖。当血糖浓度高于当血糖浓度高于 8.8910.00 mmol/L时，时，可出现糖尿。此血糖值称为肾糖阈。可出现糖尿。此血糖值称为肾糖阈。高血糖见于：糖尿病、肾脏疾病、情绪激高血糖见于：糖尿病、肾脏疾病、情绪激动等。动等。