第一章 生物化学
第四节 糖代谢
一、糖的分解代谢
（一）糖酵解的基本途径、关键酶和生理意义（★★★）
1.糖酵解的基本途径及关键酶
（1）第一阶段
1）葡萄糖的磷酸化进入细胞内的葡萄糖首先在第6位碳上被磷酸化生成6-磷酸葡萄糖，磷酸根由ATP供给。催化此反应的酶是己糖激酶。己糖激酶催化的反应不可逆，反应需要消耗能量ATP，Mg2 是反应的激活剂。
2）6-磷酸葡萄糖的异构反应这是由磷酸己糖异构酶催化6-磷酸葡萄糖转变为6-磷酸果糖的过程，此反应是可逆的。
3）6-磷酸果糖的磷酸化此反应是6磷酸果糖第一位上的C进一步磷酸化生成1,6－二磷酸果糖，磷酸根由ATP供给，催化此反应的酶是6-磷酸果糖激酶-1。
4）1.6二磷酸果糖裂解反应醛缩酶催化1.6-二磷酸果糖生成磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛，此反应是可逆的。
5）磷酸二羟丙酮的异构反应磷酸丙糖异构酶催化磷酸二羟丙酮转变为3－磷酸甘油醛，此反应也是可逆的。到此1分子葡萄糖生成2分子3-磷酸甘油醛，通过两次磷酸化作用消耗2分子ATP。
（2）第二阶段
1）3-磷酸甘油醛氧化反应 此反应由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化3-磷酸甘油醛氧化脱氢并磷酸化生成含有1个高能磷酸键的1，3－二磷酸甘油酸，本反应脱下的氢和电子转给脱氢酶的辅酶NAD 生成NADH H ，磷酸根来自无机磷酸。
2）1，3－二磷酸甘油酸的高能磷酸键转移反应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，同时其C1上的高能磷酸根转移给ADP生成ATP，这种底物氧化过程中产生的能量直接将ADP磷酸化生成ATP的过程，称为底物水平磷酸化。此激酶催化的反应是可逆的。
3）3-磷酸甘油酸的变位反应在磷酸甘油酸变位酶催化下3-磷酸甘油酸C3－位上的磷酸基转变到C2位上生成2－磷酸甘油酸。此反应是可逆的。
4）2-磷酸甘油酸的脱水反应由烯醇化酶催化，2-磷酸甘油酸脱水的同时，能量重新分配，生成含高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸。本反应也是可逆的。
一（四章 5）磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸转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转移至ADP生成ATP，这是又一次底物水平上的磷酸化过程。但此反应是不可逆的。
【巧妙记忆】糖酵解的关键酶是己糖激酶、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.
糖酵解的生理意义
（1）在缺氧的情况下供给机体能量；
（2）生理情况下为红细胞、白细胞、神经和骨髓等供能；
（3）在某些病理情况下供能，如严重贫血、呼吸功能障碍和循环功能障碍等。
（二）糖有氧氧化的基本途径、关键酶和生理意义（★★★）
1.糖的有氧氧化基本过程
在有氧的条件下，葡萄糖或糖原氧化生成CO2和H2O的过程称为糖的有氧氧化，主要分为以下三个阶段：
（1）葡萄糖或糖原的葡萄糖单位转变为丙酮酸此过程与糖酵解过程相同；
（2）丙酮酸氧化生成乙酰辅酶A此过程在线粒体的内膜进行，由丙酮酸脱氢酶复合体催化；
（3）乙酰辅酶A进入三羧酸循环完全氧化生成CO2和H2O四步脱氢生成3个NADH H 、一个FADH2、一步底物水平磷酸化生成GTP。三种关键酶是：柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、α酮戊二酸脱氢酶复合体。
2.糖有氧氧化的生理意义
供能：是机体产生能量的主要方式，1分子葡萄糖在有氧氧化时共产生30~32个ATP，是糖酵解的18~19倍。
（三）三羧酸循环的生理意义（★★★）
1.三羧酸循环是机体获取能量的主要方式。1个分子葡萄糖经无氧酵解仅净生成2个分子ATP，而有氧氧化可净生成32个ATP，其中三羧酸循环生成20个ATP，在一般生理条件下，许多组织细胞皆从糖的有氧氧化获得能量。糖的有氧氧化不但释能效率高，而且逐步释能，并逐步储存于ATP分子中，因此能的利用率也很高。
2.三羧酸循环是糖，脂肪和蛋白质三种主要有机物在体内彻底氧化的共同代谢途径。三羧酸循环的起始物乙酰CoA，不但是糖氧化分解产物，它也可来自脂肪的甘油、脂肪酸和来自蛋白质的某些氨基酸代谢，因此三羧酸循环实际上是三种主要有机物在体内氧化供能的共同通路，估计人体内2/3的有机物是通过三羧酸循环而被分解的。
3.三羧酸循环是体内三种主要有机物互变的联结机构。因糖和甘油在体内代谢可生成α-酮戊二酸及草酰乙酸等三羧酸循环的中间产物，这些中间产物可以转变成为某些氨基酸；而有些氨基酸又可通过不同途径变成α-酮戊二酸和草酰乙酸，再经糖异生的途径生成糖或转变成甘油，因此三羧酸循环不仅是三种主要的有机物分解代谢的最终共同途径，而且也是它们互变的联络机构。
【巧妙记忆】三羧酸循环连接三大物质代谢，如同大圆盘，周而复始，意义重大。
二、糖原的合成与分解
糖原是体内糖的储存形式，主要存在于肝脏和肌肉，分别称为肝糖原和肌糖原。人体内糖原总量70~100g，肌糖原180～300g。肝糖原是用以维持血糖浓度，以供应全身利用，而肌糖原是供给肌肉本身产生ATP，维持其收缩功能。
（一）肝糖原的合成（★★★）
1.合成部位肝脏、肌肉组织。
2.合成过程分为五步如下
（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，是一耗能过程。
（2）6-磷酸葡萄糖转变为1-磷酸葡萄糖此反应在葡萄糖变位酶催化下完成。
（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-磷酸葡萄糖与UTP作用，生成尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG），释放出焦磷酸。焦磷酸被焦磷酸酶迅速水解，使反应向糖原合成方向进行，同时消耗1个高能磷酸键。
（4）从UDPG合成糖原UDPG中的葡萄糖单位在糖原合酶作用下，转移到细胞内原有的较小的糖原引物上，在非还原端以α-1，4-糖苷键连接。每反应一次，糖原引物上即增加一个葡萄糖单位。糖原引物是在一种被称为糖原引物蛋白分子上形成的，这种蛋白质能对其自身进行共价修饰，即它的分子中第194位酪氨酸残基的酚羟基被糖基化，形成葡聚糖链，作为糖原合成时UDPG中葡萄糖基的接受体，此接受体即为糖原引物。
（5）形成分支糖原合成酶只能催化形成α-1，4-糖苷键，当糖链长度达到12～18个葡萄糖残基时，由分枝酶使末端含6～7个葡萄糖的糖链转移，以α-1，6-糖苷键连接，形成分枝。由糖原合成酶与分枝酶催化的反应不断进行，使作为引物的糖原分子不断延长，并增加新的分支。
3.关键酶糖原合酶，分为两种形式
糖原合酶a：有活性，是去磷酸化的，经磷酸化后变成糖原合酶b失去活性；
糖原合酶b：无活性，是磷酸化的，经去磷酸化后变成有活性的糖原合酶a。
4.糖原合成反应的特点
（1）糖原合成的反应部位在胞浆（肌肉、肝脏）；关键酶是糖原合成酶；原料：G（葡萄糖），UDP，ATP；产物是Gn，生理意义是储存能量。
（2）糖原合酶催化的糖原合成反应不能从头开始，需要至少含4个葡萄糖残基的α-1,4-葡聚糖作为引物。
（3）糖原合酶是糖原合成过程的限速酶，其活性受共价修饰和变构的调节。
（4）UDPG是活泼葡萄糖基的直接供体，其生成过程中要消耗ATP和UTP，在糖原引物上每增加1个新的葡萄糖单位，要消耗2个高能磷酸键。
（5）葡萄糖进入细胞合成糖原过程中，伴有K＋转移入细胞，使血K＋趋于降低。因此，输注胰岛素和大量葡萄糖时，要注意防止出现低血钾。据此，血钾过高的患者，也可采用输注葡萄糖和少量胰岛素的方法降低血钾。
【巧妙记忆】 糖原合成在胞浆，关键酶糖原合成酶。
（二）肝糖原的分解（★★★）
1.分解部位肝脏、肌肉、肾
2.分解过程如下所示
（1）糖原分解为1-磷酸葡萄糖从糖原分子的非还原端开始，由磷酸化酶催化α-1,4-糖苷键分解，逐个生成1-磷酸葡萄糖。上述反应不断进行，α-1,4-糖苷键逐渐被水解，糖原分子逐渐变小，直至距糖原分支部位4个葡萄糖单位为止。
（2）脱掉分支当反应进行到葡萄糖链距分枝处只剩4个葡萄糖单位时，脱枝酶（转移酶）将3个葡萄糖单位转移到其它分枝的非还原未端，以α-1,6-糖苷键相连的最后一个葡萄糖继续由脱枝酶水解生成游离的葡萄糖。至此，在磷酸化酶与脱枝酶的协同和反复作用下，完成糖原分解过程。
（3）1-磷酸葡萄糖在变位酶作用下转变为6-磷酸葡萄糖，在空腹和饥饿（10~12h）时，肝糖原分解为葡萄糖释放入血，以维持血糖浓度恒定。糖原分解时，伴有细胞内K＋的释放。
（4）6-磷酸葡萄糖在葡萄糖-6-磷酸酶作用下水解为葡萄糖葡萄糖-6-磷酸酶只存在于肝脏和肾脏，肌肉组织中无此酶，因此肌糖原不能分解为葡萄糖，而只有肝、肾组织中的糖原能够分解为葡萄糖。
3.关键酶 糖原磷酸化酶，该酶也存在两种形式：糖原磷酸化酶a：有活性，由二聚体变成四聚体，是磷酸化的；糖原磷酸化酶b：无活性，是二聚体，是去磷酸化的。
4.糖原分解的特点 （1）水解反应在糖原的非还原端进行；（2）是非耗能过程；（3）关键酶是糖原磷酸化酶，为一共价修饰酶，其辅酶是磷酸吡哆醛。
三、糖异生
（一）糖异生的基本途径和关键酶（★★★）
1.原料 有乳酸、甘油、生糖氨基酸、GTP、ATP及丙酮酸
2.部位 肝肾（胞浆和线粒体）
3.基本途径 糖异生途径基本上是糖酵解的逆过程，但并不完全相同。糖酵解途径中大多数催化反应是可逆，只有已糖激酶（糖酵解反应1）、6-磷酸果糖激酶-1（糖酵解反应4）和丙酮酸激酶（糖酵解反应11）所催化的三步反应均为不可逆的步骤，在糖异生过程中这些步骤将被别的旁路反应所代替。
4.关键酶 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）糖异生的生理意义（★★★）
1.维持血糖浓度恒定 体内储存的糖原有限，实验证明，禁食12~24小时后，肝糖原耗尽，糖异生显著增强，成为血糖的主要来源，维持血糖水平正常。
2.补充肝糖原 由于肝葡萄糖激酶Km值高，摄取葡萄糖能力弱，即便进食以后也有相当一部分葡萄糖是先分解成丙酮酸、乳酸等三碳化合物，再异生成糖原，此途径称为糖原合成的三碳途径。
3.调节酸碱平衡 在剧烈运动或某些原因导致缺氧时，肌糖原酵解产生大量乳酸，引起组织pH降低，通过乳酸循环的糖异生作用，在肝脏将酸性的乳酸转变为中性的葡萄糖，防止酸中毒。
（三）乳酸循环（★★★）
1.乳酸循环 又称为Cori循环，在肝组织，糖异生活跃。因葡萄糖-6-磷酸酶活性高，能水解6-磷酸葡萄糖，释放葡萄糖；在肌肉组织，因无葡萄糖-6-磷酸酶，因此肌肉乳酸不能异生为葡萄糖。
2.乳酸循环是一耗能过程 2分子乳酸异生为葡萄糖，需消耗6分子ATP。
3.乳酸循环的生理意义 避免损失乳酸以及防止乳酸堆积引起酸中毒，既回收了乳酸中的能量，又重新积累了储存的糖原，对身体能量的利用很有意义。
四、磷酸戊糖途径
（一）磷酸戊糖途径的关键酶和重要的产物
1.反应部位 细胞液
2.反应步骤
6-磷酸葡萄糖
↓6-磷酸葡萄糖，脱氢，生成NADPH和H
6-磷酸葡萄糖酸
↓6-磷酸葡萄糖，脱氢，生成1个分子NADPH
5-磷酸葡萄糖和NADPH
3.关键酶 催化第一步脱氢反应的是6-磷酸葡萄糖脱氢酶是代谢途径的关键酶
4.重要的产物 （1）两次脱氢由NADP 接受生成NADPH H ；（2）反应生成的磷酸戊糖为核酸的合成提供原料。
（二）磷酸戊糖途径的生理意义（★★★）
1.为核酸的生物合成提供核糖5-磷酸核糖是核酸和核苷酸的组成成分。它既可由磷酸戊糖途径生成，也可通过糖分解代谢的中间产物6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛经前述基团转移反应的逆反应生成，但在人体主要是经前一过程生成。肌组织缺乏6-磷酸葡萄糖脱氢酶，磷酸核糖则靠基团转移反应生成。
2.提供NADPH作为供氢体参与多种代谢反应；
（1）NADPH是体内许多合成代谢的供氢体，如乙酰辅酶A合成脂酸、胆固醇，合成非必需氨基酸；
（2）NADPH参与体内的羟化反应如从鲨烯合成胆固醇，从胆固醇合成胆汁酸、类固醇激素等；
（3）NADPH用于维持谷胱甘肽的还原状态。
3.提供能量 必要时可通过转氢酶作用，使NAD还原成NADH，后者通过呼吸链和氧化磷酸化过程，即可生成ATP提供能量需要。
、 五、血糖及其调节
（一）血糖浓度
1.正常的血糖水平正常血糖水平为3.89~6.11mmol/L，血糖<3.0mmol/L为低血糖，血糖>6.9mmol/L为高血糖。
2.血糖的来源食物的消化吸收、肝糖原的分解和糖异生。
3.血糖的去路无氧酵解、戊糖旁路、转化为脂肪和氨基酸、合成为糖原。
（二）胰岛素的调节
血糖水平的保持稳定是糖、脂肪、氨基酸代谢协调的结果，也是肝、肌、脂肪组织
各器官组织代谢协调的结果。其次调节血糖的水平的还有以下几种激素：
1.胰岛素是体内唯一的一种降糖激素。
2.胰高血糖素、糖皮质激素、肾上腺激素、生长激素这几种激素都是可以升高血糖的激素。
（三）胰高血糖素的调节
1.促进肝糖原的分解，而抑制糖原的合成；
2.抑制糖酵解途径，促进糖异生；
3.促进脂肪的动员。
（四）糖皮质激素的调节
1.促进蛋白质（氨基酸）、脂肪的分解以升高血糖；
2.促使脂肪组织的再体内的重新分布；
3.抑制肝外组织摄取和利用葡萄糖。
4.对儿茶酚胺的允许作用，间接的促进血糖的升高。
【经典习题】
1.不参与三羧酸循环的化合物是
A.α-酮戊二酸
B.草酰乙酸
C.丙二酸
D.柠檬酸
E.琥珀酸
答案：C
考点：糖有氧氧化基本途径及供能
解析：三羧酸循环是一个由一系列酶促反应构成的循环反应系统，在该反应过程中，首先由乙酰CoA与草酰乙酸（B对）缩合生成柠檬酸（D对）。柠檬酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸，异柠檬酸氧化脱羧转变为α-酮戊二酸（A对）。α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酸CoA。琥珀酸CoA合成酶催化底物水平磷酸化反应，产物为琥珀酸（E对）。琥珀酸脱氢生成延胡索酸，延胡索酸加水生成苹果酸，苹果酸脱氢生成草酰乙酸。故选C。
2.糖酵解的关键酶是
A.磷酸甘油酸激酶
B.丙酮酸脱氢酶
C.6-磷酸果糖激酶-1
D.3-磷酸甘油醛脱氢酶
E.乳酸脱氢酶
答案：C
考点：糖的分解代谢
解析： 糖酵解关键酶是己糖激酶、6-磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶。故选C。
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