7第六章糖代谢

第二篇物质代谢及其调节本篇讨论体内几类重要物质的代谢过程及其调节。包括糖代谢、脂质代谢、生物氧化、氨基酸代谢、核昔酸代谢，非营养物质代谢以及各种重要物质代谢的相互联系与调节规律，共七章。生命活动的基本特征之一是生物体内各种物质按一定规律不断进行的新陈代谢，以实现生物体与外环境的物质交换、自我更新，以及机体内环境的相对稳定。物质代谢包括合成代谢与分解代谢两个方面，并处于动态平衡（dynamicequilibrium)之中。物质代谢中绝大部分化学反应是在细胞内由酶催化而进行，并伴随着多种形式的能量变化，其中最为重要的是物质氧化时伴有ADP磷酸化而产生ATP，为生命活动直接提供能量。体内还存在来自外源或内源的若干非营养物质，通过生物转化作用，使其水溶性提高，极性增强，易于排出体外。各种物质代谢之间有着广泛的联系，而且机体具有严密调节物质代谢的能力，使其构成一个统一的整体。正常的物质代谢是生命过程所必需的，而物质代谢的紊乱而往往是一些疾病的重要原因。为此，物质代谢的知识是医学生物化学的重要组成内容。除了上述物质代谢外，有关DNA生物合成、RNA生物合成及蛋白质生物合成等代谢过程及调节将在第三篇讨论。学习这一篇时，要注意掌握各类物质代谢的基本反应途径、关键酶与主要调节环节、重要生理意义、各类物质代谢的相互联系与调节规则，以及代谢异常与疾病关系等问题。第六章糖代谢糖是人类食物的主要成分，约占食物总量的50%以上，主要生理功能是为生命活动提供能源和碳源。糖是机体的一种重要的能量来源，人体所需能量的50%-70%来自于糖。1mol葡萄糖（glucose）完全氧化成为二氧化碳和水可释放2840kJ（679kcal/mol）的能量。其中约34%转化生成ATP，以供应机体生理活动所需的能量。糖也是机体重要的碳源，糖代谢的中间产物可转变成其他的含碳化合物，如氨基酸、脂肪酸、核昔酸等。此外，糖还参与组成结缔组织等机体组织结构，调节细胞信息传递，形成NAD`、FAD、ATP等多种生物活性物质，构成激素、酶、免疫球蛋白等具有特殊生理功能的糖蛋白。本章重点介绍葡萄糖在机体内的代谢，因为其他单糖如果糖、半乳糖、甘露糖等所占比例很小，且主要转变为葡萄糖代谢的中间产物。细胞内葡萄糖的代谢涉及分解、储存、合成三个方面。葡萄糖的分解代谢主要包括糖的无氧氧化、糖的有氧氧化和磷酸戊糖途径，取决于不同类型细胞的代谢特点和供氧状况。例如机体绝大多数组织在供氧充足时，葡萄糖进行有氧氧化生成CO2和H20;肌组织在缺氧时，葡萄糖进行无氧氧化生成乳酸；饱食后肝内由于合成脂质的需要，葡萄糖进人磷酸戊糖途径代谢生成磷酸核糖和NADPH。饱食时葡萄糖也可聚合成糖原，储111112第二篇物质代谢及其调节存在肝或肌组织中，以便在短期饥饿时补充血糖或分解利用。长期饥饿时，有些非糖物质如乳酸、丙氨酸等还可经糖异生途径转变成葡萄糖或糖原。这些分解、储存、合成代谢途径在多种激素调控下相互协调、相互制约，使血中葡萄糖的来源与去路相对平衡，血糖水平趋于稳定。以下将详细介绍葡萄糖的主要代谢途径、生理意义及其调控机制。第一节糖的消化吸收与转运一、糖消化后以单体形式吸收人类食物中可被机体分解利用的糖类主要有植物淀粉、动物糖原、麦芽搪、蔗糖（sucrose）、乳糖（lactose）和葡萄糖等。食物中还含有大量的纤维素（cellulose），由于人体内无卜糖昔酶故不能对其分解利用，但纤维素能起到刺激肠蠕动等作用，也是维持健康所必需的糖类。主食中的糖类以淀粉（starch)为主。唾液和胰液中都有a-淀粉酶（a-amylase），可水解淀粉分子内的a-1，4-`糖苷键。由于食物在口腔停留的时间很短，所以淀粉消化主要在小肠内进行。在胰液的a一淀粉酶作用下，淀粉被水解为麦芽糖、麦芽三糖、含分支的异麦芽糖、由4一9个葡萄糖残基构成的。一极限糊精(a-limitdextrin)，其中前两者约占65%，后两者约占35%。寡糖的进一步消化在小肠豁膜刷状缘进行。a-糖昔酶（包括麦芽糖酶）水解没有分支的麦芽糖和麦芽三糖。a-极限糊精酶（包括异麦芽糖酶）可水解a-1，4一糖昔键和a-1，6-糖昔键，将。一极限糊精和异麦芽糖水解成葡萄糖。肠钻膜细胞还含有蔗糖酶和乳糖酶等，分别水解蔗糖和乳糖。有些人由于缺乏乳糖酶，在食用牛奶后发生乳糖消化吸收障碍，而引起腹胀、腹泻等症状，称为乳糖不耐症（lactoseintolerance）。糖类被消化成单糖后才能在小肠被吸收。小肠黏膜细胞依赖特定载体摄入葡萄糖，是一个主动耗能的过程，同时伴有Na的转运。这类葡萄糖转运体称为Na依赖型葡萄糖转运蛋白（sodium-dependentglucosetransporter，SGLT)，它们主要存在于小肠私膜和肾小管上皮细胞。葡萄糖被小肠猫膜细胞吸收后经门静脉进入血循环，供身体各组织利用。肝对于维持血糖稳定发挥关键作用。当血糖较高时，肝通过糖原合成和分解葡萄糖来降低血糖；当血糖较低时，肝通过糖原分解和糖异生来升高血糖。二、细胞摄取葡萄糖需要转运蛋白葡萄糖吸收入血后，在体内代谢首先需进人细胞。这是依赖葡糖转运蛋白（glucosetrans-porter,GLUT）实现的。人体中现已发现12种葡萄糖转运蛋白，它们分别在不同的组织细胞中起作用，其中GLUT1-5功能较为明确。GLUTl和GLUTS广泛分布于全身各组织中，是细胞摄取葡萄糖的基本转运体。GLUT2主要存在于肝细胞和胰腺p细胞中，与葡萄糖的亲和力较低，使肝从餐后血中摄取过量的葡萄糖，并调节胰岛素分泌。而GLUT4主要存在于脂肪和肌组织中，以胰岛素依赖方式摄取葡萄糖，耐力训练可以使肌组织细胞膜上的GLUT4数量增加。GLUT5主要在小肠分布，是果糖进人细胞的重要转运蛋白。这些GLUT成员的组织分布不同，生物功能不同，决定了各组织中葡萄糖代谢各具特色。葡萄糖摄取障碍可能诱发高血糖。进食高碳水化合物饮食后，血糖迅速升高，引起胰岛素分泌，胰岛素可以使原先位于脂肪细胞和肌细胞内囊泡中的GLUT4重新分布于细胞膜，从而促进这些细胞摄取并利用血糖。I型糖尿病患者由于胰岛素分泌不足，无法使脂肪和肌组织中的GLUT4转位至细胞膜，阻碍了血中葡萄糖转运进人这些细胞。第二节糖的无氧氧化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第六章糖代谢113途径,称为糖酵解（glycolysis）。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生成乳酸,称为乳酸发酵（lacticacidfermentation）。在某些植物和微生物中,丙酮酸可转变为乙醇和二氧化碳,称为乙醇发酵（ethanolfermentation）。氧供应充足时,丙酮酸主要进人线粒体中彻底氧化为CO2和H2O，即糖的有氧氧化（aerobicoxidation）。本节仅讨论人体生成乳酸的糖无氧氧化（anaerobicoxidation）。一、糖的无氧氧化分为糖酵解和乳酸生成两个阶段葡萄糖不利用氧的分解过程分为两个阶段：第一阶段是糖酵解，第二阶段为乳酸生成。糖无氧氧化的全部反应在胞质中进行。（一）葡萄糖经糖酵解分解为两分子丙酮酸1、葡萄糖磷酸化生成葡糖一6-磷酸葡萄糖进人细胞后发生磷酸化反应，生成葡糖一6一磷酸（glucose-6-phosphate,G-6-P)，该反应不可逆，是糖酵解的第一个限速步骤。磷酸化后的葡萄糖不能自由通过细胞膜而逸出细胞。催化此反应的是己糖激酶（hexokinase），它需要Mg2+，是糖酵解的第一个关键酶(keyenzyme)。哺乳类动物体内已发现有4种己糖激酶同工酶（I-Nf)。肝细胞中存在的是W型，称为葡糖激酶（glucokinase），它有两个特点：一是对葡萄糖的亲和力很低，其Km值为l0mmol/L左右，而其他己糖激酶的Km值在0.1mmol/L左右；二是受激素调控，它对葡糖-6-磷酸的反馈抑制并不敏感。这些特性使葡糖激酶对于肝维持血糖稳定至关重要，只有当血糖显著升高时，肝才会加快对葡萄糖的利用，起到缓冲血糖水平的调节作用。2.葡糖-6-磷酸转变为果糖-6-磷酸这是由磷酸己糖异构酶(phosphohexoseisomerase）催化的醛糖与酮糖间的异构反应。葡糖-6-磷酸转变为果糖-6-磷酸（fructose-6-phosphate,F-6-P)是需要Mg2+参与的可逆反应。3.果精-6-磷酸转变为果精-6-二磷酸这是第二个磷酸化反应，需ATP和Mg2+广，由磷酸果糖激酶-1（6-phosphofructokinase-1,PFK-1）催化，生成果糖-1,6-二磷酸（fructose-1,6-biphosphate，F-1,6-BP)。该反应不可逆，是糖酵解的第二个限速步骤。4.果糖-1,6-二磷酸裂解成2分子磷酸丙糖此步反应是可逆的，由醛缩酶(aldolase)催化，产生2个丙糖，即磷酸二羟丙酮和3一磷酸甘油醛。5.磷酸二羟丙酮转变为3一磷酸甘油醛3一磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮是同分异构体，在磷酸丙糖异构酶（triosephosphateisomerase）催化下可互相转变。当3一磷酸甘油醛在下一步反应中被移去后，磷酸二羟丙酮迅速转变为3一磷酸甘油醛，继续进行酵解。磷酸二羟丙酮还可转变成a一磷酸甘油，是联系葡萄糖代谢和脂肪代谢的重要枢纽物质。上述的5步反应为糖酵解的耗能阶段，1分子葡萄糖经两次磷酸化反应消耗了2分子ATP，产生了2分子3一磷酸甘油醛。而之后的5步反应才开始产生能量。6.3一磷酸甘油醛氧化为1，3一二磷酸甘油酸反应中3一磷酸甘油醛的醛基氧化成羧基及羧基的磷酸化均由3一磷酸甘油醛脱氢酶（glyceraldehyde3-phosphatedehydrogenase）催化，以NAD+为辅酶接受氢和电子。参加反应的还有无机磷酸，当3一磷酸甘油醛的醛基氧化脱氢生成羧基时立即与磷酸形成混合酸酐。该酸酐是一种高能化合物，其磷酸酯键水解时可将能量转移至ADP，生成ATP。7.1,3一二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸激酶(phosphoglyceratekinase）催化混合酸酐上的磷酸基从羧基转移到ADP，形成ATP和3一磷酸甘油酸，反应需要Mg2+。这是糖酵解过程中第一次产生ATP的反应，将底物的高能磷酸基直接转移给ADP生成ATP。这种ADP或其他核苷二磷酸的磷酸化作用与底物的脱氢作用直接相偶联的反应过程称为底物水平磷酸化（substrate-levelphospho-rylation）。磷酸甘油酸激酶催化的此反应是一可逆反应，逆反应则需消耗1分子ATP.8.3一磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶(phosphoglyceratemutase）催化磷酸基从3一磷酸甘油酸的C3位转移到C2，这步反应是可逆的，反应需要Mg2+。114第二篇物质代谢及其调节9.2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸烯醇化酶（enolase）催化2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate,PEP）。尽管这个反应的标准自由能改变比较小，但反应时可引起分子内部的电子重排和能量重新分布,形成了一个高能磷酸键，这就为下一步反应作了准备。10.磷酸烯醇式丙酮酸将高能磷酸基转移给ADP生成ATP和丙酮酸糖酵解的最后这一步反应是由丙酮酸激酶（pyruvatekinase)催化的,反应不可逆,是糖酵解的第三个限速步骤。丙酮酸激酶的作用需要K+和Mg2+参与。反应最初生成烯醇式丙酮酸，但烯醇式迅速经非酶促反应转变为酮式。这是糖酵解过程中的第二次底物水平磷酸化。在糖酵解产能阶段的5步反应中，2分子磷酸丙糖经两次底物水平磷酸化转变成2分子丙酮酸，总共生成4分子ATP.（二）丙酮酸被还原为乳酸此反应由乳酸脱氢酶lactatedehydrogenase,LDH)催化,丙酮酸还原成乳酸所需的氢原子由NADH+H＋提供，后者来自上述第6步反应中的3磷酸甘油醛的脱氢反应。在缺氧情况下，这一对氢用于还原丙酮酸生成乳酸，NADH+H＋重新转变成NAD+，糖酵解才能重复进行。人体内