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1、Chapter 4 Metabolism of Carbohydrates,第四章 糖 代 谢,糖的化学,糖(carbohydrates)即碳水化合物，是指多羟基醛或多羟基酮及其衍生物或多聚物。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),单糖,寡糖,多糖,淀粉的分子结构,糖原的分子结构,纤维素的分子结构,糖与非糖物质的结合物。,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。,Sec
2、tion 1 Introduction,第一节 概 述,糖类在生物体的生理功能主要有：氧化供能：糖类占人体全部供能量的70%。作为结构成分：如生物膜、神经组织等的组分。作为核酸类化合物的成分：构成核苷酸，DNA，RNA等。转变为其他物质：转变为脂肪或氨基酸等化合物。,一、糖的生理功能,二、糖的消化吸收,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，以淀粉为主。消化部位：主要在小肠，少量在口腔。,（一）糖的消化,（二）糖的吸收,主要在小肠上段以单糖形式吸收。,三、糖代谢概况,葡萄糖,Section 7 Blood Glucose,第七节 血 糖,血液中的葡萄糖含量称为血
3、糖。按真糖法测定，正常空腹血糖浓度为3.896.11mmol/L（70100mg%）。,一、血糖的来源与去路,二、血糖水平的调节,（一）组织器官：肝、脂肪组织、心肌、骨骼肌等组织。（二）激素：1降低血糖浓度的激素胰岛素。2升高血糖浓度的激素胰高血糖素、肾上腺素、糖皮质激素、生长激素、甲状腺激素。（三）神经系统。,1.肝脏的作用:,肝脏是维持血糖浓度恒定最主要的器官。,1)饭后合成肝糖原；,2)饭后将葡萄糖转变成脂肪；,3)空腹分解肝糖原为葡萄糖；,4)饥饿时将非糖物质异生成葡萄糖；,5)将其它的单糖转变成葡萄糖；,6)氧化利用葡萄糖。,2.激素的调节作用,激素:是动物体内产生的量微而高效的调节
4、代谢速度的化学物质。,胰岛-细胞合成分泌；,激素,肽类、蛋白类激素,儿茶酚胺类激素,类固醇激素,1）胰岛素(insulin),51个氨基酸-蛋白质。,促进肝外组织细胞膜摄取葡萄糖；,促进糖的氧化利用；,促进肝、肌糖原的合成；,胰岛素、,胰高血糖素、,肾上腺素、,糖皮质激素:生长激素、甲状腺激素。,3,促进糖转变成脂肪；,抑制糖异生作用；,抑制糖原的分解。,促进去路,抑制来源,使血糖浓度降低,2)胰高血糖素(glucagon):,胰岛-细胞合 成分泌；29肽,促进肝糖原分解为葡萄糖；,促进肝糖异生作用；,抑制糖原的合成；,促进来源抑制去路,使血糖浓度升高,3)肾上腺素(adrenaline),肾
5、上腺髓质分泌的；,儿茶酚胺类激素。,促进肝糖原分解为葡萄糖；,促进肌糖原分解成乳酸；,促进肝糖异生作用；,抑制糖原的合成。,使血糖浓度升高,4)糖皮质激素:,肾上腺皮质束状带分泌,类固醇激素,促进肝外组织蛋白分解为氨基酸；,促进肝糖异生作用；,抑制肌肉和脂肪等肝外组织摄取和利用葡萄糖。,饥饿时分泌增加，使血糖浓度升高,10,糖的分解代谢,有氧氧化,无氧分解(糖酵解),磷酸戊糖途径,G或 Gn,6-磷酸葡萄糖,丙酮酸,无O2,乳酸,有O2,乙酰COA,CO2+H2O+能,戊糖,25,线粒体,三、糖的无氧分解(糖酵解，glycolysis),第二节 糖的无氧分解,Section 2 Glycoly
6、sis,糖的无氧酵解（glycolysis）是指葡萄糖在无氧条件下分解生成乳酸并释放出能量的过程。,无氧酵解的全部反应过程在胞液(cytoplasm)中进行，共11步，代谢的终产物为乳酸(lactate)，一分子葡萄糖经无氧酵解可净生成两分子ATP。无氧酵解的反应过程可分为活化、裂解、放能和还原四个阶段。其中，活化、裂解、放能三个阶段又可合称为糖酵解途径（glycolytic pathway)。,一、糖酵解的反应过程,1.活化(activation)己糖磷酸酯的生成：,活化阶段是指葡萄糖经磷酸化和异构反应生成1,6-双磷酸果糖(F-1,6-BP，FDP)的反应过程。该过程共由三步化学反应组成。
7、,葡萄糖(glucose)磷酸化生成6-磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphate,G-6-P)；G-6-P异构为6-磷酸果糖（fructose-6-phosphate,F-6-P）；F-6-P再磷酸化为 1,6-双磷酸果糖（fructose-1,6-bisphosphate,F-1,6-BP）。,无氧酵解的活化阶段,glucose,2.裂解（lysis)磷酸丙糖的生成：,一分子F-1,6-BP裂解为两分子可以互变的磷酸丙糖（triose phosphate)，包括两步反应：F-1,6-BP 裂解为3-磷酸甘油醛(glyceraldehyde-3-phosphate)和磷酸二羟丙酮(d
8、ihydroxyacetone phosphate)；磷酸二羟丙酮异构为3-磷酸甘油醛。,无氧酵解的裂解阶段,3.放能(releasing energy)丙酮酸的生成：,3-磷酸甘油醛经脱氢、磷酸化、脱水及放能等反应生成丙酮酸，包括五步反应。3-磷酸甘油醛脱氢并磷酸化生成1,3-二磷酸甘油酸（glycerate-1,3-diphosphate)；1,3-二磷酸甘油酸脱磷酸，将其交给ADP生成ATP；3-磷酸甘油酸异构为2-磷酸甘油酸；,2-磷酸甘油酸(glycerate-2-phosphate)脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate,PEP)；磷酸烯醇式丙酮酸（PEP
9、）将高能磷酸基交给ADP生成ATP。,glyceraldehyde-3-phosphate,无氧酵解的放能阶段,glycerate-2-phosphate,4还原(reduction)乳酸的生成：,利用丙酮酸接受酵解代谢过程中产生的NADH，使NADH重新氧化为NAD+，以确保反应的继续进行。,无氧酵解的还原阶段,糖的无氧酵解途径,糖无氧酵解代谢途径可将一分子葡萄糖分解为两分子乳酸，净生成两分子ATP。糖无氧酵解代谢途径有三个关键酶，即己糖激酶（葡萄糖激酶）、磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶。,二、无氧酵解的调节,糖无氧酵解代谢途径的调节主要是通过各种变构剂对三个关键酶进行变构调节。1.己糖激酶或
10、葡萄糖激酶：葡萄糖激酶是肝调节葡萄糖吸收的主要的关键酶。,己糖激酶及葡萄糖激酶的变构剂,己糖激酶hexokinase,葡萄糖激酶glucokinase,6-磷酸果糖激酶-1是调节糖无氧酵解代谢途径流量的主要因素。,6-磷酸果糖激酶-16-phosphofructokinase-1,2.6-磷酸果糖激酶-1：,3.丙酮酸激酶：,丙酮酸激酶pyruvate kinase,三、无氧酵解的生理意义,1.在无氧和缺氧条件下，作为糖分解供能的补充途径。2.在有氧条件下，作为某些组织细胞主要的供能途径。,第三节 糖的有氧氧化,Section 3 Aerobic Oxidation of Carbohydra
11、tes,葡萄糖在有氧条件下彻底氧化分解生成CO2和H2O，并释放出大量能量的过程称为糖的有氧氧化（aerobic oxidation)。,绝大多数组织细胞通过糖的有氧氧化途径获得能量。此代谢过程在细胞胞液和线粒体(cytoplasm and mitochondrion)内进行。一分子葡萄糖彻底氧化分解可产生36/38分子ATP。,一、有氧氧化的反应过程,糖的有氧氧化代谢途径可分为：葡萄糖酵解、丙酮酸氧化脱羧和三羧酸循环三个阶段。,（一）葡萄糖经酵解途径生成丙酮酸：,此阶段在细胞胞液(cytoplasm)中进行，一分子葡萄糖(glucose)分解后净生成2分子丙酮酸(pyruvate)，2分子A
12、TP，和2分子（NADH+H+）。2分子（NADH+H+）在有氧条件下可进入线粒体(mitochondrion)产能，共可得到22或者23分子ATP。故第一阶段可净生成6或8分子ATP。,（二）丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA：,丙酮酸进入线粒体(mitochondrion)，在丙酮酸脱氢酶系(pyruvate dehydrogenase complex)的催化下氧化脱羧生成乙酰CoA(acetyl CoA)。,丙酮酸氧化脱羧作用,由一分子葡萄糖氧化分解产生两分子丙酮酸(pyruvate)，故可生成两分子乙酰CoA(acetyl CoA)，两分子CO2和两分子（NADH+H+），可生成23分子AT
13、P。反应为不可逆；丙酮酸脱氢酶系(pyruvate dehydrogenase complex)是糖有氧氧化途径的关键酶之一。,丙酮酸脱氢酶系由三种酶单体构成：丙酮酸脱氢酶（E1），硫辛酸乙酰基转移酶（E2），二氢硫辛酸脱氢酶（E3）。该多酶复合体有六种辅助因子：TPP，硫辛酸，NAD+，FAD，HSCoA和Mg2+。,CO2,CoASH,NAD+,NADH+H+,5.NADH+H+的生成,1.-羟乙基-TPP的生成,2.乙酰硫辛酰胺的生成,3.乙酰CoA的生成,4.硫辛酰胺的生成,（三）经三羧酸循环彻底氧化分解：,三羧酸循环（TAC，柠檬酸循环或Krebs循环）是指在线粒体中，乙酰CoA首先
14、与草酰乙酸缩合生成柠檬酸，然后经过一系列的代谢反应，乙酰基被氧化分解，而草酰乙酸再生的循环反应过程。三羧酸循环在线粒体中进行。一分子乙酰CoA氧化分解后共可生成12分子ATP，故此阶段可生成212=24分子ATP。,-ketoglutarate,fumarate,循环反应在线粒体(mitochondrion)中进行，为不可逆反应。每完成一次循环，氧化分解掉一分子乙酰基，可生成12分子ATP。循环的中间产物既不能通过此循环反应生成，也不被此循环反应所消耗。,三羧酸循环的特点：,三羧酸循环中有两次脱羧反应，生成两分子CO2。循环中有四次脱氢反应，生成三分子NADH和一分子FADH2。循环中有一次底
15、物水平磷酸化，生成一分子GTP。三羧酸循环的关键酶是柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶系。,是糖、脂、蛋白质三大物质分解供能的共同通路。是糖、脂、蛋白质三大物质互变的共同途径。,三羧酸循环的生理意义：,二、有氧氧化生成的ATP,三、有氧氧化的调节,第一阶段：见糖无氧酵解的调节。第二阶段：,丙酮酸脱氢酶系Pyruvate dehydrogenase complex,第三阶段：主要通过酶的变构调节控制三个关键酶的活性。,柠檬酸合酶citrate synthase,调节有氧氧化第三阶段代谢流量的关键酶主要是异柠檬酸脱氢酶。,异柠檬酸脱氢酶isocitrate dehydrogenase,-
16、酮戊二酸脱氢酶系-ketoglutarate dehydrogenase complex,四、巴斯德效应,巴斯德效应(Pastuer effect)是指糖的有氧氧化可以抑制糖的无氧酵解的现象。有氧时，由于无氧酵解产生的NADH和丙酮酸进入线粒体而产能，故糖的无氧酵解代谢受抑制。,Section 4 Pentose Phosphate Pathway,第四节 磷酸戊糖途径,磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway)是指从G-6-P脱氢反应开始，经一系列代谢反应生成磷酸戊糖等中间代谢物，然后再重新进入糖氧化分解代谢途径的一条旁路代谢途径。,TAC,该旁路途径的起始物是G-6
17、-P，返回的代谢产物是3-磷酸甘油醛(glyceraldehyde-3-phosphate)和6-磷酸果糖(fructose-6-phosphate)，其重要的中间代谢产物是5-磷酸核糖和NADPH。整个代谢途径在胞液(cytoplasm)中进行。关键酶是6-磷酸葡萄糖脱氢酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase)。,一、磷酸戊糖途径的反应过程,磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway)的总反应式：G-6-P+12NADP+7H2O 6CO2+12NADPH+12H+H3PO4 即6分子G-6-P可生成6分子CO2，4分子F-6-P，2分子
18、3-磷酸甘油醛和12分子NADPH。,全部代谢过程可分为两个阶段：1.G-6-P氧化分解生成5-磷酸核酮糖：G-6-P脱氢氧化生成6-磷酸葡萄糖酸内酯：,6-磷酸葡萄糖酸内酯水解生成6-磷酸葡萄糖酸：,6-磷酸葡萄糖酸再脱氢脱羧生成5-磷酸核酮糖：,5-磷酸核酮糖经一系列基团转移及差向异构反应生成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖。此阶段的所有反应均为可逆反应。在此阶段，经由5-磷酸核酮糖的异构可生成5-磷酸核糖。,2.5-磷酸核酮糖的基团转移反应过程：,二、磷酸戊糖途径的生理意义,NADPH在体内可用于：作为供氢体，参与体内的合成代谢：如参与合成脂肪酸、胆固醇，一些氨基酸。参与羟化反应：作为加单氧
19、酶的辅酶，参与对代谢物的羟化。,1.是体内生成NADPH的主要代谢途径：,使氧化型谷胱甘肽还原。维持巯基酶的活性。维持红细胞膜的完整性：由于6-磷酸葡萄糖脱氢酶遗传性缺陷可导致蚕豆病，表现为溶血性贫血。,2.是体内生成5-磷酸核糖的惟一代谢途径：,体内合成核苷酸和核酸所需的核糖或脱氧核糖均以5-磷酸核糖的形式提供，这是体内惟一的一条能生成5-磷酸核糖的代谢途径。磷酸戊糖途径是体内糖代谢与核苷酸及核酸代谢的交汇途径。,第五节 糖原的合成与分解,Section 5 Glycogenesis and Glycogenolysis,糖原（glycogen)是由许多葡萄糖分子聚合而成的带有分支的高分子多
20、糖类化合物。糖原分子的直链部分借-1,4-糖苷键而将葡萄糖残基连接起来，其支链部分则是借-1,6-糖苷键而形成分支。,糖原是一种无还原性的多糖。糖原合成或分解时，其葡萄糖残基的添加或去除，均在其非还原端进行。糖原的合成与分解代谢主要发生在肝、肾和肌肉组织细胞的胞液中。,一、糖原的合成代谢,糖原合成的反应过程可分为三个阶段：1活化：由葡萄糖生成UDPG(uridine diphosphate glucose)，是一耗能过程。磷酸化：,（一）反应过程：,异构：G-6-P转变为G-1-P：,转形：G-1-P转变为尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）：,2缩合：在关键酶糖原合酶的催化下，以原有糖原分子为引物，
21、添加新的葡萄糖单位。,糖原合酶的作用机制,3分支：当直链长度达12个葡萄糖残基以上时，在分支酶(branching enzyme)的催化下，将距末端67个葡萄糖残基组成的寡糖链由-1,4-糖苷键转变为-1,6-糖苷键，使糖原出现分支。,糖原的合成与分解代谢,（二）糖原合成的特点：,1必须以原有糖原分子作为引物；2合成反应在糖原的非还原端进行；3合成为一耗能过程，每增加一个葡萄糖残基，需消耗2个高能磷酸键（2分子ATP）；4其关键酶是糖原合酶(glycogen synthase)，为一共价修饰酶；5需UTP参与（以UDP为载体）。,二、糖原的分解代谢,糖原的分解代谢可分为三个阶段：1水解：包括三
22、步反应，循环交替进行。磷酸解：由糖原磷酸化酶(glycogen phosphorylase)催化对-1,4-糖苷键磷酸解，生成G-1-P。,（一）反应过程：,转寡糖链：当糖原被水解到离分支点四个葡萄糖残基时，由葡聚糖转移酶催化，将分支链上的三个葡萄糖残基转移到直链的非还原端，使分支点暴露。脱枝：由-1,6-葡萄糖苷酶催化。将-1,6-糖苷键水解，生成一分子自由葡萄糖。,2异构：,3脱磷酸：由葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-phosphatase)催化，生成自由葡萄糖。该酶只存在于肝及肾中。,（二）糖原分解的特点：,1水解反应在糖原的非还原端进行；2是一非耗能过程；3关键酶是糖原磷酸化酶
23、(glycogen phosphory-lase)，为一共价修饰酶，其辅酶是磷酸吡哆醛。,三、糖原合成与分解的调节,激素（胰高血糖素、肾上腺素等）+受体,四、糖原合成与分解的生理意义,1贮存能量。2调节血糖浓度。3利用乳酸：肝中可经糖异生途径利用糖无氧酵解产生的乳酸来合成糖原。这就是肝糖原合成的三碳途径或间接途径。,第六节 糖 异 生,Section 6 Gluconeogenesis,由非糖物质转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖异生(gluconeogenesis)。糖异生代谢途径主要存在于肝及肾中。,一、糖异生途径,糖异生主要沿酵解途径逆行，仅有三步反应为不可逆反应，需经其他的代谢反应绕行。1
24、G-6-P G：由葡萄糖-6-磷酸酶催化进行水解。该酶不存在于肌肉组织中，故肌肉组织不能生成自由葡萄糖。,2F-1,6-BP F-6-P：,3丙酮酸 磷酸烯醇式丙酮酸：经由丙酮酸羧化支路完成。,丙酮酸草酰乙酸：,草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)：,PEP,二、糖异生的调节,果糖双磷酸酶-1fructose biphosphatase-1,三、糖异生的原料,1生糖氨基酸：Ala,Cys,Gly,Ser,Thr,Trp 丙酮酸Pro，His，Gln，Arg Glu-酮戊二酸Ile，Met，Ser，Thr，Val 琥珀酰CoAPhe，Tyr 延胡索酸Asn，Asp 草酰乙酸,2甘油：甘油三酯 甘油-磷酸甘油 磷酸二羟丙酮。3乳酸：乳酸丙酮酸。,四、糖异生的生理意义,1在饥饿情况下维持血糖浓度的相对恒定。2回收乳酸分子中的能量：葡萄糖在肌肉组织中经糖的无氧酵解产生的乳酸，可经血循环转运至肝，再经糖的异生作用生成自由葡萄糖后转运至肌肉组织加以利用，这一循环过程就称为乳酸循环（Cori循环）。,肝,肌肉,葡萄糖,葡萄糖,乳酸,乳酸,乳酸,丙酮酸,血液,乳酸循环示意图,3维持酸碱平衡：在肾组织细胞中进行的糖异生作用有利于酸性物质的排泄。,G-6-P在糖代谢中的作用,G-6-P,
