Metabolism of CarbohydratesMetabolism of Carbohydrates

糖 代 谢糖 代 谢

第 四 章

根据其水解产物的情况，糖主要可分为根据其水解产物的情况，糖主要可分为以下四大类。以下四大类。

单糖 单糖 (monosacchride)(monosacchride)

寡糖 寡糖 (oligosacchride)(oligosacchride)

多糖 多糖 (polysacchride)(polysacchride)

结合糖 结合糖 (glycoconjugate)(glycoconjugate)

① 淀粉 植物中养分的储存形式

淀粉颗粒

目 录

② 糖原 动物体内糖储存形式

③ 纤维素 作为植物的骨架

β-1,4- 糖苷键

第 一 节

概 述IntroductionIntroduction

一、糖的生理功能

1. 氧化供能

3. 作为机体组织细胞的组成成分

2. 提供合成体内提供合成体内其他物质的原料

淀粉

麦芽糖 + 麦芽三糖 （ 40% ） （ 25% ）

α- 临界糊精 + 异麦芽糖 （ 30% ） （ 5% ）

葡萄糖

唾液中的 α- 淀粉酶

α- 葡萄糖苷酶 α- 临界糊精酶 肠粘膜

上皮细胞刷状缘

胃

口腔

肠腔 胰液中的 α- 淀粉酶

二、糖的消化与吸收

ADP+Pi

ATP

G

Na+

K+

Na+ 泵

小肠粘膜细胞

肠腔

门静脉

Na+ 依赖型葡萄糖转运体(Na+-dependent glucose transporter, SGLT)

刷状缘 细胞内膜

糖代谢的概况

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

第 二 节

糖的无氧分解

Glycolysis

第一阶段

第二阶段

一、定义

三、反应过程

二、细胞定位：胞浆

在缺氧情况下，葡萄糖生成乳酸 (lactate) 的过程。

糖酵解途径 (glycolytic pathway)

丙酮酸 → 乳酸

G → 丙酮酸

( 二 ) 丙酮酸转变成乳酸

丙酮酸

乳酸

NADH+H+ 的来源？

乳酸脱氢酶 (LDH)

NADH + H+ NAD+ COOH

CHOH

CH3

COOH

C=O

CH3

E1: 己糖激酶

E2: 6- 磷酸果糖激酶 -1

E3: 丙酮酸激酶

NAD+

乳 酸

Glu G-6-P F-6-P F-1, 6-2PATP ADP ATP ADP

1,3- 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+

ADP ATP

ADP ATP磷酸烯醇式丙酮酸

E2E1

E3

NADH+H+

* 不需氧

* 不可逆反应

* 产能少

* 终产物：乳酸

四、糖酵解的调节

关键酶

① 己糖激酶

② 6- 磷酸果糖激酶 -1

③ 丙酮酸激酶

调节方式① 别构调节

② 共价修饰调节

F-6-P

F-1,6-2P

ATP

ADP PFK-1

磷蛋白磷酸酶

Pi

PKA

ATP

ADP

Pi

胰高血糖素

ATP cAMP

活化

F-2,6-2P

+

+

+

–/+

AMP

+

柠檬酸

––

AMP

+

柠檬酸

––

PFK-2（有活性）

FBP-2（无活性）

6- 磷酸果糖激酶 -2

PFK-2（无活性）

FBP-2（有活性）

P P

果糖双磷酸酶 -2

（二）丙酮酸激酶

1,6- 双磷酸果糖（ + ）； ATP, 丙氨酸（ - ）

丙酮酸激酶 丙酮酸激酶

ATP ADP

Pi 磷蛋白磷酸酶

（无活性） （有活性）

胰高血糖素 PKA, CaM 激酶

P

PKA ：蛋白激酶 A (protein kinase A)

CaM ：钙调蛋白

五、生理意义

1. 在缺氧情况下迅速获能。

2. 是某些特殊细胞在氧供应正常情况下的重要获能途径。

第 三 节

糖的有氧氧化 Aerobic Oxidation of Carbohyd

rate

在机体氧供充足时，葡萄糖彻底氧化成 H2O 和 CO2 ，并释放出能量的过程。

二、细胞定位 胞液及线粒体

一、 定义 一、 定义

三、反应过程

酵解途径 丙酮酸的氧化脱羧

（三羧酸循环 + 氧化磷酸化）

G （ Gn ）

丙酮酸

乙酰 CoA

CO2 NADH+H+

FADH2

H2O [O]

ATP ADP

TAC 循环

胞液

线粒体

乙酰 CoA 的彻底氧化

（一）丙酮酸的氧化脱羧

E1 ：丙酮酸脱氢酶

E2 ：二氢硫辛酰胺转乙酰酶

E3 ：二氢硫辛酰胺脱氢酶

辅 酶

TPP 硫辛酸 HSCoA

FAD, NAD+

S

SL

二氢硫辛酰胺

乙酰 CoA 和草酰乙酸缩合生成含三个羧基的柠檬酸，反复的进行脱氢脱羧，又生成草酰乙酸，再重复循环反应的过程。

线粒体基质

（二）三羧酸循环 (Tricarboxylic acid Cycle, TAC)

* 定义

* 细胞定位

Krebs 循环 / 柠檬酸循环

CoASH

NADH+H+

NAD+

COCO22

NAD+

NADH+H+

COCO

22GTPGTPGDP+PiGDP+PiFAD

FADH2

NADH+H+

NAD+

H2O

H2O

H2O

CoASHCoASH

⑧

① ②

③

④

⑤

⑥

⑦

②

H2O

ATPADP

核苷二磷酸激酶

GDP GTP

NADH+H+ H2O 、 3ATP [O]

H2O 、 2ATP FADH2

[O]

（三）氧化磷酸化（ ATP 的生成）

呼吸链

四、糖有氧氧化的生理意义

葡萄糖有氧氧化生成的 ATP 反 应 辅 酶 ATP

第一阶段

葡萄糖 → 6-磷酸葡萄糖 -1 6-磷酸果糖 → 1,6-双磷酸果糖 -1

2× 3-磷酸甘油醛→ 2× 1,3-二磷酸甘油酸 NAD+ 2× 3或2 × 2*

2× 1,3-二磷酸甘油酸→ 2× 3-磷酸甘油酸 2 × 1

2 ×磷酸烯醇式丙酮酸 → 2×丙酮酸 2 × 1

第二阶段 2 ×丙酮酸→ 2 × 乙酰CoA 2 × 3

第三阶段

2×异柠檬酸 → 2 × α-酮戊二酸 2 × 3

2×α-酮戊二酸 → 2 × 琥珀酰CoA 2 × 3

2×琥珀酰CoA → 2 × 琥珀酸 2 × 1

2×琥珀酸 → 2 × 延胡索酸 FAD 2 × 2

2×苹果酸 → 2 × 草酰乙酸 NAD+ 2 × 3

净生成 38(或36)ATP

NAD+

NAD+

NAD+

五、有氧氧化的调节

关键酶

① 酵解途径：己糖激酶

② 丙酮酸的氧化脱羧：丙酮酸脱氢酶复合体

③ 三羧酸循环：柠檬酸合酶

丙酮酸激酶6- 磷酸果糖激酶 -1

α- 酮戊二酸脱氢酶复合体异柠檬酸脱氢酶

共价修饰调节

目 录

六、巴斯德效应 (Pastuer effect)

* 概念有氧氧化抑制糖酵解的现象

有氧和缺氧的情况分析

* 机制

第 四 节

磷酸戊糖途径 Pentose Phosphate Pathway

一、概念

由葡萄糖生成磷酸戊糖及 NADPH+H+ ，前者再进一步转变成 3- 磷酸甘油醛和 6- 磷酸果糖的反应过程。

二、细胞定位：胞 液

第一阶段：氧化反应

三、反应过程

第二阶段：非氧化反应

磷酸戊糖途径

第一阶段

第二阶段

5- 磷酸木酮糖

C5

5- 磷酸木酮糖 C5

7- 磷酸景天糖 C7

3- 磷酸甘油醛 C3

4- 磷酸赤藓糖 C4

6- 磷酸果糖 C6

6- 磷酸果糖 C6

3- 磷酸甘油醛 C3

6- 磷酸葡萄糖 (C6)×3

6- 磷酸葡萄糖酸内酯 (C6)×3

6- 磷酸葡萄糖酸 (C6)×3

5- 磷酸核酮糖 (C5) ×3

5- 磷酸核糖 C5

3NADP+

3NADP+3H+ 6- 磷酸葡萄糖脱氢酶

3NADP+

3NADP+3H+ 6- 磷酸葡萄糖酸脱氢酶

CO2

代谢物脱下的氢均由 NADP+接受生成 NADPH + H+

关键酶： 6- 磷酸葡萄糖脱氢酶

四、磷酸戊糖途径的调节 受NADPH/NADP+比值的影响

五、磷酸戊糖途径的生理意义

第 五 节

糖原的合成与分解Glycogenesis and GlycogenolysisGlycogenesis and Glycogenolysis

三 糖的合成代谢

自然界中糖的基本来源是绿色植物及光能细菌进行的光合作用（Photosynthesis）

Tangde hecheng

动物体内糖的储存形式之一，是机体能迅速动用的能量储备。

肌肉：肌糖原， 180 ~ 300g ，主要供肌肉收缩所需

肝脏：肝糖原， 70 ~ 100g ，维持血糖水平

糖 原 (glycogen)

糖原储存的主要器官及其生理意义

α-1,4- 糖苷键α-1,6- 糖苷键

一、糖原的合成代谢

（二）合成部位

（一）定义

由葡萄糖合成糖原的过程

器官定位：肝脏、肌肉

细胞定位：胞浆

1. 葡萄糖磷酸化生成 6- 磷酸葡萄糖

葡萄糖 6- 磷酸葡萄糖 ATP ADP

己糖激酶 ;葡萄糖激酶（肝）

（三）糖原合成途径 （三）糖原合成途径

1- 磷酸葡萄糖 磷酸葡萄糖变位酶

6- 磷酸葡萄糖

2. 6- 磷酸葡萄糖转变成 1- 磷酸葡萄糖

* UDPG：“ ”活性葡萄糖

++UTP

尿苷 P P P

PPi

UDPG焦磷酸化酶

3. 1- 磷酸葡萄糖转变成尿苷二磷酸葡萄糖

2Pi+ 能量

1- 磷酸葡萄糖

OH

HOOH

H OHH OH

HO

H

CH2OH

H

PPP

尿苷二磷酸葡萄糖 ( uridine diphosphate glucose , UDPG )

OH

HOOH

H OHH OH

HO

H

CH2OH

H

PPP 尿苷P 尿苷PP

糖原 n + UDPG

糖原 n+1 + UDP 糖原合酶( glycogen synthase )

UDP UTP

ADP ATP

核苷二磷酸激酶

4. α-1,4- 糖苷键式结合

• 糖原 n ：糖原引物 (primer)

糖原 n+1 + UDP

糖原 n + UDPG

糖原合酶(glycogen s

ynthase)

（四）糖原分枝的形成

分 支 酶 (branching enzyme)

α-1,6- 糖苷键

α-1,4- 糖苷键

二、糖原的分解代谢 (glycogenolysis )

* 定义

* 细胞定位：胞 浆

* 肝糖原的分解

糖原 n+1 糖原 n + 1- 磷酸葡萄糖 磷酸化酶

1. 糖原的磷酸解

习惯上指肝糖原分解成为葡萄糖的过程

1- 磷酸葡萄糖 6- 磷酸葡萄糖 磷酸葡萄糖变位酶

3. 1- 磷酸葡萄糖转变成 6- 磷酸葡萄糖

4. 6- 磷酸葡萄糖水解生成葡萄糖

葡萄糖 -6- 磷酸酶 （肝，肾）

葡萄糖 6- 磷酸葡萄糖 肌

酵解途径

糖原的合成与分解总图

UDPG焦磷酸化酶

G-1-P UTP

UDPG

PPi

糖原 n+1 UDP

G-6-P G

糖原合酶

磷酸葡萄糖变位酶

己糖 ( 葡萄糖 ) 激酶

糖原 n

Pi

磷酸化酶

葡萄糖 -6- 磷酸酶（肝）

糖原 n

三、糖原合成与分解的调节

关键酶 ① 糖原合成：糖原合酶

② 糖原分解：糖原磷酸化酶

腺苷环化酶 （无活性）

腺苷环化酶（有活性）

激素（胰高血糖素、肾上腺素等） + 受体

ATP cAMP

PKA( 无活性 )

磷酸化酶 b 激酶

糖原合酶 糖原合酶 -P

PKA( 有活性 )

磷酸化酶 b 磷酸化酶 a-P

磷酸化酶 b 激酶 -P

Pi

磷蛋白磷酸酶 -1

Pi Pi 磷蛋白磷酸酶 -1 磷蛋白磷酸酶 -1

–

–

–磷蛋白磷酸酶抑制剂 -P

磷蛋白磷酸酶抑制剂 PKA （有活性）

* 葡萄糖（ - ）磷酸化酶

磷酸化酶 a (R) [疏松型 ]

磷酸化酶 a (T) [紧密型 ]

葡萄糖

糖原合酶 磷酸化酶 a-P 磷酸化酶 b

AMPATP 及 6- 磷酸葡萄糖

♁ ♁

双向调控 双重调节

第 六 节

糖 异 生Gluconeogenesis

从非糖化合物转变为葡萄糖或糖原的过程。

* 器官定位：肝、肾

* 原料

* 概念

细胞定位：胞浆及线粒体

主要有乳酸、甘油、生糖氨基酸

一、糖异生途径 (gluconeogenic pathway)

* 定义

* 过程

糖异生途径与糖酵解途径大多数反应是共有的、可逆的

丙酮酸生成葡萄糖的具体反应过程

1. 丙酮酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP)

丙酮酸 草酰乙酸 PEP ATP ADP+Pi

CO2 ①

GTP GDP

CO2 ②

① 丙酮酸羧化酶 (pyruvate carboxylase) ，辅酶为生物素（线粒体）

② 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（线粒体 / 胞液）

NADH+H+ 的来源？

糖异生途径中， 1,3- 二磷酸甘油酸生成 3-

磷酸甘油醛时，需要 NADH+H+

2. 1,6- 双磷酸果糖 转变为 6- 磷酸果糖

1,6- 双磷酸果糖 6- 磷酸果糖 Pi

果糖双磷酸酶

3. 6- 磷酸葡萄糖水解为葡萄糖

6- 磷酸葡萄糖 葡萄糖 Pi

葡萄糖 -6- 磷酸酶

二、糖异生的调节 底物循环

6- 磷酸果糖

1,6- 双磷酸果糖 6- 磷酸果糖激酶 -1

果糖双磷酸酶 -1

ADP ATP

Pi

6- 磷酸葡萄糖 葡萄糖

葡萄糖 -6- 磷酸酶

己糖激酶 ATP ADP

Pi

PEP

丙酮酸草酰乙酸

丙酮酸激酶

丙酮酸羧化酶

ADP ATP

CO2+ATP

ADP+Pi GTP

磷酸烯醇式丙酮酸 羧激酶

GDP+Pi +CO2

(substratecycle)

6- 磷酸果糖

1,6- 双磷酸果糖

ATP

ADP

6- 磷酸果糖激酶 -1

Pi

果糖双磷 酸酶 -1

2,6- 双磷酸果糖

AMP

1. 6- 磷酸果糖与 1,6- 双磷酸果糖之间

2. 磷酸烯醇式丙酮酸与丙酮酸之间

PEP

丙 酮 酸

ATP

ADP

丙酮酸激酶

1,6- 双磷酸果糖

丙氨酸

乙 酰 CoA

草酰乙酸

三、糖异生的生理意义

（一）维持血糖浓度恒定

（二）补充肝糖原

（三）调节酸碱平衡

肝 肌肉

乳酸循环 (lactose cycle) ———（ Cori 循环）

葡萄糖 葡萄糖 葡萄糖

酵解途

径

丙酮酸

乳酸

NADH

NAD+

乳酸 乳酸 NAD+

NADH

丙酮酸

糖异生途径

血液

第 七 节

血 糖Blood GlucoseBlood Glucose

血糖

食 物 糖 消化，吸收

肝糖原 分解

非糖物质

糖异生

氧化分解

CO2 + H2O

糖原合成 肝（肌）糖原 磷酸戊糖途径等

其它糖

脂类、氨基酸合成代谢

脂肪、氨基酸

一、血糖来源和去路

血液中的葡萄糖浓度 ： 3.89~6.11mmol/L

二、血糖水平的调节

主要调节激素

降低血糖：胰岛素 (insulin)

升高血糖：胰高血糖素 (glucagon) 、糖皮质激素、肾上腺素

* 主要依靠激素的调节

* 葡萄糖耐量 (glucose tolerence)

正常人体内存在一套精细的调节糖代谢的机制，在一次性食入大量葡萄糖后，血糖水平不会出现大的波动和持续升高。

指人体对摄入的葡萄糖具有很大的耐受能力的现象。

糖耐量试验 (glucose tolerance test, GTT)

临床上用来诊断病人有无糖代谢异常

三、血糖水平异常

（一）高血糖 (hyperglycemia)

肾糖阈

( 二）低血糖 (hypoglycemia)

空腹血糖浓度低于3.33~3.89mmol/L

空腹血糖浓度高于7.22~7.78mmol/L