第4章--糖代谢中国医科大学CMU生化

第四章糖代谢CarbohydrateMetabolismThebiochemistryandmolecularbiologydepartmentofCMU糖(carbohydrates)即碳水化合物，其化学本质为多羟醛或多羟酮类及其衍生物或多聚物。糖的化学（一）糖的概念（二）糖的分类及其结构根据其水解产物的情况，糖主要可分为以下四大类。单糖(monosacchride)寡糖(oligosacchride)多糖(polysacchride)结合糖(glycoconjugate)OHOHHHOHHOHOOHOOHHHHOHOHHOHHCH2OH葡萄糖(glucose)——已醛糖果糖(fructose)——已酮糖OHOHOHOHHHOHHOH1.单糖不能再水解的糖OOHOHHOH2CHHOHHCH2OH醛糖酮糖互变异构：醛糖CHOCOHCHHOCOHHCOHHCH2OH酮糖CH2OHCOCHHOCOHHCOHHCH2OHH异构酶CCOHHOHOOHHHOHHOHHOHHCH2OHOHHHHOHOHOHHOH2COHOHOHOHHOHHHOH半乳糖(galactose)——已醛糖核糖(ribose)——戊醛糖OHHOHHOHOHOH半乳糖(galactose)——已醛糖2.寡糖常见的几种二糖有麦芽糖(maltose)葡萄糖—葡萄糖蔗糖(sucrose)葡萄糖—果糖乳糖(lactose)葡萄糖—半乳糖能水解生成几分子单糖的糖，各单糖之间借脱水缩合的糖苷键相连。3.多糖常见的多糖有淀粉(starch)糖原(glycogen)纤维素(cellulose)能水解生成多个分子单糖的糖①淀粉是植物中养分的储存形式淀粉颗粒②糖原是动物体内葡萄糖的储存形式③纤维素作为植物的骨架β-1,4-糖苷键4.结合糖糖脂(glycolipid)：是糖与脂类的结合物。糖蛋白(glycoprotein)：是糖与蛋白质的结合物。蛋白聚糖(proteoglycan)常见的结合糖有糖与非糖物质的结合物第一节概述Introduction某些糖蛋白还具有特定功能，如参与细胞间信息转导、细胞免疫、识别等。糖的主要生理功能提供能量，人体所需能量的50%~70%来自糖代谢。转变为氨基酸、脂肪酸、核苷其他含碳化合物。以蛋白聚糖、糖蛋白、糖脂的形式参与人体组织结构的组成，如结缔组织、骨和软骨基质、生物膜。糖的磷酸衍生物可形成许多重要生物活性物质，如ATP、DNA、RNA、NAD+、FAD等。一、糖的主要生理功能是氧化供能二、糖的消化吸收是在小肠进行的（一）糖的消化人类食物中的糖主要有植物淀粉、动物糖原以及麦芽糖、蔗糖、乳糖、葡萄糖等，其中以淀粉为主。消化部位：主要在小肠，少量在口腔酶酶的来源底物产物α-淀粉酶唾液淀粉糊精、麦芽糖胰液淀粉麦芽糖、麦芽三糖、异麦芽糖、α-临界糊精α-葡萄糖苷酶小肠粘膜刷状缘麦芽糖、麦芽三糖葡萄糖α-临界糊精酶小肠粘膜刷状缘糊精、异麦芽糖葡萄糖麦芽糖酶小肠粘膜刷状缘麦芽糖葡萄糖蔗糖酶小肠粘膜蔗糖葡萄糖、果糖乳糖酶小肠粘膜乳糖葡萄糖、半乳糖参与食物中糖消化的主要酶类淀粉麦芽糖+麦芽三糖（40%）（25%）-极限糊精+异麦芽糖（30%）（5%）葡萄糖唾液中的-淀粉酶-葡糖苷酶-极限糊精酶消化过程肠粘膜上皮细胞刷状缘胃口腔肠腔胰液中的-淀粉酶食物中含有的大量纤维素，因人体内无-糖苷酶而不能对其分解利用，但却具有刺激肠蠕动等作用，也是维持健康所必需。（二）糖的吸收1.吸收部位小肠上段2.吸收形式单糖ADP+PiATPGNa+K+Na+泵小肠粘膜细胞肠腔门静脉3.吸收机制Na+依赖型葡萄糖转运体(Na+-dependentglucosetransporter,SGLT)刷状缘细胞内膜4.吸收途径小肠肠腔肠粘膜上皮细胞门静脉肝脏体循环SGLT各种组织细胞GLUTGLUT：葡萄糖转运体(glucosetransporter)•葡萄糖吸收入血后，依赖一类葡萄糖转运体（glucosetransporter,GLUT）而进入细胞内代谢。转运体分布Km功能GLUT1红细胞、脑、肾脏、结肠等1mM葡萄糖的恒定摄取GLUT2肝脏、胰腺细胞15~20mM在肝脏，从血液移走多余的葡萄糖；在胰腺，调节胰岛素分泌GLUT3脑、肾脏等1mM葡萄糖恒定摄取GLUT4心肌、骨骼肌、脂肪组织5mM胰岛素促进其葡萄糖摄取GLUT5小肠—葡萄糖吸收葡萄糖转运体CHOOHHOHHOHHOHCH2HHO葡萄糖（glucose）结构：123456CHOCOHCHHOCOHHCOHHCH2OHH123456OHOHHOHHOHHOHCH2HHO123456开链型环型开链型OHOHHOHHOHHOHCH2HHO葡萄糖（glucose）果糖（fructose）HCH2OHHCH2OHHHOHOHO123456123456葡萄糖酵解途径丙酮酸有氧无氧H2O及CO2乳酸糖异生途径乳酸、氨基酸、甘油糖原肝糖原分解糖原合成磷酸戊糖途径核糖+NADPH+H+淀粉消化与吸收ATP三、糖代谢的概况本章主要内容糖的无氧氧化糖的有氧氧化磷酸戊糖途径糖原的合成与分解糖异生乳酸循环血糖及其调节第二节糖的无氧氧化glycolysis一分子葡萄糖在胞质中可裂解为两分子丙酮酸，是葡萄糖无氧氧化和有氧氧化的共同起始途径，称为糖酵解。在不能利用氧或氧供应不足时，人体将丙酮酸在胞质中还原成乳酸，称为乳酸发酵。糖无氧氧化的反应部位：胞浆。乳酸发酵§2.1糖的无氧氧化分为糖酵解和乳酸生成两个阶段第一阶段：G→丙酮酸，包括10步反应，称为糖酵解途径(glycolyticpathway)；第二阶段：丙酮酸→乳酸。⑴葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖ATPADPMg2+己糖激酶(hexokinase)GluG-6-PF-6-PF-1,6-BPATPADPATPADP1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸丙酮酸磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛NAD+NADH+H+ADPATPADPATP磷酸烯醇式丙酮酸葡萄糖OCH2HOHHOOHHOHHOHHH6-磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphate,G-6-P)PPOCH2OHHOOHHOHHOHHH（一）葡萄糖分解成丙酮酸反应不可逆；磷酸化使葡萄糖不能自由逸出细胞；哺乳类动物体内已发现有4种己糖激酶(hexokinase,HK)同工酶，分别称为Ⅰ至Ⅳ型。肝细胞中存在的是Ⅳ型，称为葡萄糖激酶(glucokinase,GK)。它的特点是：①对葡萄糖的亲和力很低②受激素调控⑵6-磷酸葡萄糖异构为6-磷酸果糖GluG-6-PF-6-PF-1,6-BPATPADPATPADP1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸丙酮酸磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛NAD+NADH+H+ADPATPADPATP磷酸烯醇式丙酮酸磷酸己糖异构酶6-磷酸葡萄糖(G-6-P)PPOCH2OHHOOHHOHHOHHH6-磷酸果糖(fructose-6-phosphate,F-6-P)⑶6-磷酸果糖转变为1,6-双磷酸果糖ATPADPMg2+6-磷酸果糖激酶-1GluG-6-PF-6-PF-1,6-BPATPADPATPADP1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸丙酮酸磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛NAD+NADH+H+ADPATPADPATP磷酸烯醇式丙酮酸6-磷酸果糖激酶-1(6-phosphfructokinase-1,PFK-1)6-磷酸果糖1,6-双磷酸果糖(1,6-fructose-biphosphate,F-1,6-BP)是第二个磷酸化反应，反应不可逆。磷酸果糖激酶-1(phosphofructo-kinase-1,PFK-1)是糖酵解的限速酶。CH2OHOCCCCCH2OOHOHOHHHPPPP1,6-双磷酸果糖(F-1,6-BP)⑷磷酸己糖裂解成2分子磷酸丙糖醛缩酶(aldolase)GluG-6-PF-6-PF-1,6-BPATPADPATPADP1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸丙酮酸磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛NAD+NADH+H+ADPATPADPATP磷酸烯醇式丙酮酸磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛+CHOCHOHCHOHOHCH2POCH2PPOCH2OHCOCH2POCH2PPO反应可逆,由醛缩酶(aldolase)催化⑸磷酸丙糖的同分异构化磷酸丙糖异构酶GluG-6-PF-6-PF-1,6-BPATPADPATPADP1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸丙酮酸磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛NAD+NADH+H+ADPATPADPATP磷酸烯醇式丙酮酸磷酸丙糖异构酶(phosphotrioseisomerase)G→2分子3-磷酸甘油醛，消耗2分子ATP。3-磷酸甘油醛CHOCHOHCHOHOHCH2POCH2PPO磷酸二羟丙酮CH2OHCOCH2POCH2PPO⑹3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸Pi、NAD+NADH+H+3-磷酸甘油醛脱氢酶GluG-6-PF-6-PF-1,6-BPATPADPATPADP1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸丙酮酸磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛NAD+NADH+H+ADPATPADPATP磷酸烯醇式丙酮酸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NAD+接受。3-磷酸甘油醛脱氢酶(glyceraldehyde-3-phosphatedehydrogenase)3-磷酸甘油醛CHOCHOHCHOHOHCH2POCH2PPO1,3-二磷酸甘油酸O=CCOHCH2POPPOPPO⑺1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸ADPATP磷酸甘油酸激酶GluG-6-PF-6-PF-1,6-BPATPADPATPADP1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸丙酮酸磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛NAD+NADH+H+ADPATPADPATP磷酸烯醇式丙酮酸※反应可逆；※在以上反应中，底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程，称为底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)。1,3-二磷酸甘油酸O=CCOHCH2POPPOPPO3-磷酸甘油酸COOHCOHCH2POPPO⑻3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶GluG-6-PF-6-PF-1,6-BPATPADPATPADP1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸丙酮酸磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛NAD+NADH+H+ADPATPADPATP磷酸烯醇式丙酮酸磷酸甘油酸变位酶(phosphoglyceratemutase)3-磷酸甘油酸COOHCOHCH2POPPO2-磷酸甘油酸COOHCCH2POPPOOHOH⑼2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸烯醇化酶(enolase)GluG-6-PF-6-PF-1,6-BPATPADPATPADP1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸丙酮酸磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛NAD+NADH+H+ADPATPADPATP磷酸烯醇式丙酮酸2-磷酸甘油酸COOHCCH2POPPOOHOH+H2O磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate,PEP)COOHCCH2PPO反应引起分子内能量重新分布，形成高能磷酸键。ADPATPK+Mg2+丙酮酸激酶(pyruvatekinase)GluG-6-PF-6-PF-1,6-BPATPADPATPADP1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸丙酮酸磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛NAD+NADH+H+ADPATPADPATP磷酸烯醇式丙酮酸⑽磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸，并通过底物水平磷酸化生成ATP磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)COOHCCH2PPO丙酮酸COOHC=OCH3第二个底物水平磷酸化，反应不可逆。烯醇式立即自发转变为酮式。(二)丙酮酸转变成乳酸（lactate）丙酮酸乳酸反应中的NADH+H+来自于上述第6步反应中的3-磷酸甘油醛脱氢反应。