臨床執(zhí)業(yè)醫(yī)師考點：糖類代謝
糖是一類化學(xué)本質(zhì)為多羥醛或多羥酮及其衍生物的有機(jī)化合物.在人體內(nèi)糖的主要形式是葡萄糖(glucose，Glc)及糖原(glycogen，Gn).葡萄糖是糖在血液中的運輸形式，在機(jī)體糖代謝中占據(jù)主要地位;糖原是葡萄糖的多聚體,包括肝糖原、肌糖原和腎糖原等，是糖在體內(nèi)的儲存形式。葡萄糖與糖原都能在體內(nèi)氧化提供能量。食物中的糖是機(jī)體中糖的主要來源，被人體攝入經(jīng)消化成單糖吸收后，經(jīng)血液運輸?shù)礁鹘M織細(xì)胞進(jìn)行合成代謝和分解代謝。機(jī)體內(nèi)糖的代謝途徑主要有葡萄糖的無氧酵解、有氧氧化、磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑、多元醇途徑、糖原合成與糖原分解、糖異生以及其他己糖代謝等。
第一節(jié) 概述
一、特點
糖代謝可分為分解與合成兩方面，前者包括酵解與三羧酸循環(huán)，后者包括糖的異生、糖原與結(jié)構(gòu)多糖的合成等，中間代謝還有磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑等。
糖代謝受神經(jīng)、激素和酶的調(diào)節(jié)。同一生物體內(nèi)的不同組織，其代謝情況有很大差異。腦組織始終以同一速度分解糖，心肌和骨骼肌在正常情況下降解速度較低，但當(dāng)心肌缺氧和骨骼肌痙攣時可達(dá)到很高的速度。葡萄糖的合成主要在肝臟進(jìn)行。不同組織的糖代謝情況反映了它們的不同功能。
二、糖的消化和吸收
(一)消化
淀粉是動物的主要糖類來源，直鏈淀粉由300-400個葡萄糖構(gòu)成，支鏈淀粉由上千個葡萄糖構(gòu)成，每24-30個殘基中有一個分支。糖類只有消化成單糖以后才能被吸收。
主要的酶有以下幾種：
1.α-淀粉酶 哺乳動物的消化道中較多，是內(nèi)切酶，隨機(jī)水解鏈內(nèi)α1，4糖苷鍵，產(chǎn)生α-構(gòu)型的還原末端。產(chǎn)物主要是糊精及少量麥芽糖、葡萄糖。最適底物是含5個葡萄糖的寡糖。
2.β-淀粉酶 在豆、麥種子中含量較多。是外切酶，作用于非還原端，水解α-1，4糖苷鍵，放出β-麥芽糖。水解到分支點則停止，支鏈淀粉只能水解50%。
3.葡萄糖淀粉酶 存在于微生物及哺乳動物消化道內(nèi)，作用于非還原端，水解α-1，4糖苷鍵，放出β-葡萄糖。可水解α-1，6鍵，但速度慢。鏈長大于5時速度快。
4.其他 α-葡萄糖苷酶水解蔗糖，β-半乳糖苷酶水解乳糖。
二、吸收
D-葡萄糖、半乳糖和果糖可被小腸粘膜上皮細(xì)胞吸收，不能消化的二糖、寡糖及多糖不能吸收，由腸細(xì)菌分解，以CO2、甲烷、酸及H2形式放出或參加代謝。
三、轉(zhuǎn)運
1.主動轉(zhuǎn)運小腸上皮細(xì)胞有協(xié)助擴(kuò)散系統(tǒng)，通過一種載體將葡萄糖(或半乳糖)與鈉離子轉(zhuǎn)運進(jìn)入細(xì)胞。此過程由離子梯度提供能量，離子梯度則由Na-K-ATP酶維持。細(xì)菌中有些糖與氫離子協(xié)同轉(zhuǎn)運，如乳糖。另一種是基團(tuán)運送，如大腸桿菌先將葡萄糖磷酸化再轉(zhuǎn)運，由磷酸烯醇式丙酮酸供能。果糖通過一種不需要鈉的易化擴(kuò)散轉(zhuǎn)運。需要鈉的轉(zhuǎn)運可被根皮苷抑制，不需要鈉的易化擴(kuò)散被細(xì)胞松馳素抑制。
2.葡萄糖進(jìn)入紅細(xì)胞、肌肉和脂肪組織是通過被動轉(zhuǎn)運。其膜上有專一受體。紅細(xì)胞受體可轉(zhuǎn)運多種D-糖，葡萄糖的Km最小，L型不轉(zhuǎn)運。此受體是蛋白質(zhì)，其轉(zhuǎn)運速度決定肌肉和脂肪組織利用葡萄糖的速度。心肌缺氧和肌肉做工時轉(zhuǎn)運加速，胰島素也可促進(jìn)轉(zhuǎn)運，可能是通過改變膜結(jié)構(gòu)。
第二節(jié) 糖酵解
一、定義
1.酵解是酶將葡萄糖降解成丙酮酸并生成ATP的過程。它是動植物及微生物細(xì)胞中葡萄糖分解產(chǎn)生能量的共同代謝途徑。有氧時丙酮酸進(jìn)入線粒體，經(jīng)三羧酸循環(huán)徹底氧化生成CO2和水，酵解生成的NADH則經(jīng)呼吸鏈氧化產(chǎn)生ATP和水。缺氧時NADH把丙酮酸還原生成乳酸。
2.發(fā)酵也是葡萄糖或有機(jī)物降解產(chǎn)生ATP的過程，其中有機(jī)物既是電子供體，又是電子受體。根據(jù)產(chǎn)物不同，可分為乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、乙酸、丙酸、丙酮、丁醇、丁酸、琥珀酸、丁二醇等。
二、途徑
共10步，前5步是準(zhǔn)備階段，葡萄糖分解為三碳糖，消耗2分子ATP;后5步是放能階段，三碳糖生成丙酮酸，共產(chǎn)生4分子ATP。總過程需10種酶，都在細(xì)胞質(zhì)中，多數(shù)需要Mg2+。酵解過程中所有的中間物都是磷酸化的，可防止從細(xì)胞膜漏出、保存能量，并有利于與酶結(jié)合。
1.磷酸化葡萄糖被ATP磷酸化，產(chǎn)生6-磷酸葡萄糖。
反應(yīng)放能，在生理條件下不可逆(K大于300)。由己糖激酶或葡萄糖激酶催化，需要Mg2+或Mn2+。己糖激酶可作用于D-葡萄糖、果糖和甘露糖，是糖酵解過程中的第一個調(diào)節(jié)酶，受6-磷酸葡萄糖的別構(gòu)抑制。有三種同工酶。葡萄糖激酶存在于肝臟中，只作用于葡萄糖，不受6-磷酸葡萄糖的別構(gòu)抑制肌肉的己糖激酶Km=0.1mM，肝臟的葡萄糖激酶Km=10mM，平時細(xì)胞中的葡萄糖濃度時5mM，只有進(jìn)后葡萄糖激酶才活躍，合成糖原，降低血糖濃度，葡萄糖激酶是誘導(dǎo)酶，胰島素可誘導(dǎo)它的合成。6-磷酸葡萄糖也可由糖原合成，由糖原磷酸化酶催化，生成1-磷酸葡萄糖，在磷酸葡萄糖變位酶的催化下生成6-磷酸葡萄糖。此途徑少消耗1個ATP。6-磷酸葡萄糖由葡萄糖6-磷酸酶催化水解，此酶存在于肝臟和腎臟中，肌肉中沒有。
2.異構(gòu)由6-磷酸葡萄糖生成6-磷酸果糖
反應(yīng)中間物是酶結(jié)合的烯醇化合物，反應(yīng)是可逆的，由濃度控制。由磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化，受磷酸戊糖支路的中間物競爭抑制，如6-磷酸葡萄糖酸。戊糖支路通過這種方式抑制酵解和有氧氧化，pH降低使抑制加強(qiáng)，減少酵解，以免組織過酸。
3.磷酸化 6-磷酸果糖被ATP磷酸化，生成1，6-二磷酸果糖
由磷酸果糖激酶催化，是酵解的限速步驟。是別構(gòu)酶，四聚體，調(diào)節(jié)物很多，ATP、檸檬酸、磷酸肌酸、脂肪酸、DPG是負(fù)調(diào)節(jié)物;果糖1，6-二磷酸、AMP、ADP、磷酸、環(huán)AMP等是正調(diào)節(jié)物。PFK有三種同工酶，A在心肌和骨骼肌中，對磷酸肌酸、檸檬酸和磷酸敏感;B在肝和紅細(xì)胞中，對DPG敏感;C在腦中，對ATP和磷酸敏感。各種效應(yīng)物在不同組織中濃度不同，更重要的是其濃度變化幅度不同，如大鼠在運動和休息時ATP含量僅差0.8ug/g肌肉，不能改變PFK活力，而磷酸肌酸濃度變化大，效應(yīng)也大。
4.裂解生成3-磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮
由醛縮酶催化，有三種同工酶，A在肌肉中，B在肝中，C在腦中。平衡有利于逆反應(yīng)，由濃度推動反應(yīng)進(jìn)行。生成西弗堿中間物。
5.異構(gòu) DHAP生成磷酸甘油醛
DHAP要轉(zhuǎn)變成磷酸甘油醛才能繼續(xù)氧化，此反應(yīng)由磷酸丙糖異構(gòu)酶催化，平衡時磷酸甘油醛占10%，由于磷酸甘油醛不斷消耗而進(jìn)行。受磷酸和磷酸縮水甘油競爭抑制。以上反應(yīng)共消耗2分子ATP，產(chǎn)生2分子3-磷酸甘油醛，原來葡萄糖的3，2，1位和4，5，6位變成1，2，3位。
6.氧化 G-3-P+NAD++H3PO4=1，3-DPG+NADH+H+
由磷酸甘油醛脫氫酶催化，產(chǎn)物是混合酸酐，含高能鍵(11.8千卡)。反應(yīng)可分為兩部分，放能的氧化反應(yīng)偶聯(lián)推動吸能的磷酸化反應(yīng)。酶是四聚體，含巰基，被碘乙酸強(qiáng)烈抑制。砷酸鹽與磷酸競爭，可產(chǎn)生3-磷酸甘油酸，但沒有磷酸化，是解偶聯(lián)劑。NAD之間有負(fù)協(xié)同效應(yīng)，ATP和磷酸肌酸是非競爭抑制劑，磷酸可促進(jìn)酶活。
肌肉收縮開始的幾秒，磷酸肌酸從20mM下降到10-5mM，使酶活升高;隨著乳酸的積累，ATP抑制增強(qiáng)，酶活下降。
7.放能 1，3-DPG+ADP=3-磷酸甘油酸+ATP
由磷酸甘油酸激酶催化，需Mg。是底物水平磷酸化，抵消了消耗的ATP。
8.變位 3-磷酸甘油酸變成2-磷酸甘油酸
由磷酸甘油酸變位酶催化，需鎂離子。DPG是輔因子，可由1，3-二磷酸甘油酸變位而來。機(jī)理是DPG的3位磷酸轉(zhuǎn)移到底物的2位。DPG無高能鍵，可被磷酸酶水解成3-磷酸甘油酸。紅細(xì)胞中有15-50%的1，3-DPG轉(zhuǎn)化為DPG，以調(diào)節(jié)運氧能力。在氧分壓較高的肺泡，親和力不變，而在組織中親和力降低，可增加氧的釋放。
9.脫水生成磷酸烯醇式丙酮酸PEP
由烯醇酶催化，需鎂或錳離子。反應(yīng)可逆，分子內(nèi)能量重新分布，產(chǎn)生一個高能鍵。F—可絡(luò)合鎂離子，抑制酶活，有磷酸鹽時更強(qiáng)，可用來抑制酵解。
10.放能生成丙酮酸和ATP
由丙酮酸激酶催化，需鎂離子，不可逆。是別構(gòu)酶，F(xiàn)-1，6-2P活化，脂肪酸、乙酰輔酶A、ATP和丙氨酸抑制酶活。有三種同工酶，L型存在于肝臟中，被二磷酸果糖激活，脂肪酸、乙酰輔酶A、ATP和丙氨酸抑制;A型存在于脂肪、腎和紅細(xì)胞，被二磷酸果糖激活，ATP和丙氨酸抑制;M型存在于肌肉中，被磷酸肌酸抑制。丙酮酸激酶受激素影響，胰島素可增加其合成。
三、能量變化
C6H12O6+2Pi+2ADP+2NAD+=2C3H4O3+2ATP+2NADH+2H++2H2O
有氧時2個NADH經(jīng)呼吸鏈可產(chǎn)生6個ATP，共產(chǎn)生8個ATP;無氧時生成乳酸，只有2個ATP。在骨骼肌和腦組織中，NADH進(jìn)入線粒體要經(jīng)過甘油磷酸穿梭系統(tǒng)，在細(xì)胞質(zhì)中由3-磷酸甘油脫氫酶催化，將磷酸二羥丙酮還原生成3-磷酸甘油，進(jìn)入線粒體后再氧化生成磷酸二羥丙酮，返回細(xì)胞質(zhì)。因為其輔酶是FAD，所以生成FADH2，只產(chǎn)生2個ATP。這樣其還原當(dāng)量(2H++2e)被帶入線粒體，生成FADH2，進(jìn)入呼吸鏈，結(jié)果共生成6個ATP。
其他組織如肝臟和心肌等，通過蘋果酸穿梭系統(tǒng)，在蘋果酸脫氫酶作用下還原草酰乙酸，生成蘋果酸，進(jìn)入線粒體后再氧化生成草酰乙酸。不過草酰乙酸不能通過線粒體膜，必需經(jīng)谷草轉(zhuǎn)氨酶催化生成天冬氨酸和α-酮戊二酸才能返回細(xì)胞質(zhì)。線粒體中蘋果酸脫氫酶的輔酶是NAD，所以可生成3個ATP。
四、丙酮酸的去向
1.生成乙酰輔酶A：有氧時丙酮酸進(jìn)入線粒體，脫羧生成乙酰輔酶A，通過三羧酸循環(huán)徹底氧化成水和CO2。
2.生成乳酸：乳酸菌及肌肉供氧不足時，丙酮酸接受3磷酸甘油醛脫氫時產(chǎn)生的NADH上的H，在乳酸脫氫酶催化下還原生成乳酸。LDH有5種同工酶，A4在骨骼肌，B4在心肌。A4以高速催化丙酮酸的還原，使骨骼肌可在缺氧時運動;H4速度慢并受丙酮酸抑制，所以心肌在正常情況下并不生成乳酸，而是將血液中的乳酸氧化生成丙酮酸，進(jìn)入三羧酸循環(huán)。骨骼肌產(chǎn)生的大量乳酸還可由肝臟氧化生成丙酮酸，再通過糖的異生轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟牵┕趋兰±茫Q為乳酸循環(huán)或Coli氏循環(huán)。
3.生成乙醇：在酵母菌中，由丙酮酸脫羧酶催化生成乙醛，再由乙醇脫氫酶催化還原生成乙醇。
五、其他單糖
1.果糖：可由己糖激酶催化形成6-磷酸果糖而進(jìn)入酵解。己糖激酶對葡萄糖的親和力比果糖大12倍，只有在脂肪組織中，果糖含量比葡萄糖高，才由此途徑進(jìn)入酵解。肝臟中有果糖激酶，可生成1-磷酸果糖，再被1-磷酸果糖醛縮酶裂解生成甘油醛和磷酸二羥丙酮，甘油醛由三碳糖激酶磷酸化生成3-磷酸甘油醛，進(jìn)入酵解。
2.半乳糖：在半乳糖激酶催化下生成1-磷酸半乳糖(需鎂離子)，再在1-磷酸半乳糖尿苷酰轉(zhuǎn)移酶催化下與UDP-葡萄糖生成UDP-半乳糖和1-磷酸葡萄糖，UDP-半乳糖被UDP-半乳糖4-差向酶催化生成UDP-葡萄糖。反應(yīng)是可逆的，半乳糖攝入不足時可用于合成半乳糖。
3.甘露糖：由己糖激酶催化生成6-磷酸甘露糖，被磷酸甘露糖異構(gòu)酶催化生成6-磷酸果糖，進(jìn)入酵解。
第三節(jié) 三羧酸循環(huán)
一、丙酮酸脫氫酶復(fù)合體
(一)反應(yīng)過程：5步，第一步不可逆。
1.脫羧，生成羥乙基TPP，由E1催化。
2.羥乙基被氧化成乙酰基，轉(zhuǎn)移給硫辛酰胺。由E2催化。
3.形成乙酰輔酶A。由E2催化。
4.氧化硫辛酸，生成FADH2。由E3催化。
5.氧化FADH2，生成NADH。
復(fù)合體有60條肽鏈組成，直徑30nm，E1和E2各24個，E3有12個。其中硫辛酰胺構(gòu)成轉(zhuǎn)動長臂，在電荷的推動下攜帶中間產(chǎn)物移動。
(二)活性調(diào)控
此反應(yīng)處于代謝途徑的分支點，收到嚴(yán)密調(diào)控：
1.產(chǎn)物抑制：乙酰輔酶A抑制E2，NADH抑制E3。可被輔酶A和NAD+逆轉(zhuǎn)。
2.核苷酸反饋調(diào)節(jié)：E1受GTP抑制，被AMP活化。
3.共價調(diào)節(jié)：E1上的特殊絲氨酸被磷酸化時無活性，水解后恢復(fù)活性。丙酮酸抑制磷酸化作用，鈣和胰島素增加去磷酸化作用，ATP、乙酰輔酶A、NADH增加磷酸化作用。
二、三羧酸循環(huán)的途徑：8步。曾經(jīng)懷疑第一個組分是其他三羧酸，故名三羧酸循環(huán)。也叫Krebs循環(huán)。
1.輔酶A與草酰乙酸縮合，生成檸檬酸
由檸檬酸縮合酶催化，高能硫酯鍵水解推動反應(yīng)進(jìn)行。受ATP、NADH、琥珀酰輔酶A和長鏈脂肪酰輔酶A抑制。ATP可增加對乙酰輔酶A的Km。氟乙酰輔酶A可形成氟檸檬酸，抑制下一步反應(yīng)的酶，稱為致死合成，可用于殺蟲劑。
2.檸檬酸異構(gòu)化，生成異檸檬酸
由順烏頭酸酶催化，先脫水，再加水。是含鐵的非鐵卟啉蛋白。需鐵及巰基化合物(谷胱甘肽或Cys等)維持其活性。
3.氧化脫羧，生成α-酮戊二酸
第一次氧化，由異檸檬酸脫氫酶催化，生成NADH或NADPH。中間物是草酰琥珀酸。是第二個調(diào)節(jié)酶，能量高時抑制。生理條件下不可逆，是限速步驟。細(xì)胞質(zhì)中有另一種異檸檬酸脫氫酶，需NADPH，不是別構(gòu)酶。其反應(yīng)可逆，與NADPH還原當(dāng)量有關(guān)。
4.氧化脫羧，生成琥珀酰輔酶A
第二次氧化脫羧，由α-酮戊二酸脫氫酶體系催化，生成NADH。其中E1為α-酮戊二酸脫氫酶，E2為琥珀酰轉(zhuǎn)移酶，E3與丙酮酸脫氫酶體系相同。機(jī)制類似，但無共價調(diào)節(jié)。
5.分解，生成琥珀酸和GTP
是唯一一個底物水平磷酸化，由琥珀酰輔酶A合成酶(琥珀酰硫激酶)催化。GTP可用于蛋白質(zhì)合成，也可生成ATP。需鎂離子。
6.脫氫，生成延胡索酸
第三步氧化還原反應(yīng)，由琥珀酸脫氫酶催化，生成FADH2。琥珀酸脫氫酶位于線粒體內(nèi)膜，直接與呼吸鏈相連。FADH2不與酶解離，電子直接轉(zhuǎn)移到酶的鐵原子上。
7.水化，生成蘋果酸
由延胡索酸酶催化，是反式加成，只形成L-蘋果酸。
8.脫氫，生成草酰乙酸
第四次氧化還原，由L-蘋果酸脫氫酶催化，生成NADH。反應(yīng)在能量上不利，由于草酰乙酸的消耗而進(jìn)行。
三、總結(jié)
1.能量情況：每個循環(huán)產(chǎn)生3個NADH，1個FADH2，1個GTP，共12個ATP。加上酵解和丙酮酸脫氫，每個葡萄糖有氧氧化共產(chǎn)生36-38個ATP。
2.不對稱反應(yīng)
四、回補(bǔ)反應(yīng)
三羧酸循環(huán)的中間物是許多生物合成的前體，如草酰乙酸和α-酮戊二酸可用于合成天冬氨酸和谷氨酸，卟啉的碳原子來自琥珀酰輔酶A。這樣會降低草酰乙酸濃度，抑制三羧酸循環(huán)。所以必需補(bǔ)充草酰乙酸。
1.丙酮酸羧化：與ATP、水和CO2在丙酮酸羧化酶作用下生成草酰乙酸。需要鎂離子和生物素。是調(diào)節(jié)酶，平時活性低，乙酰輔酶A可促進(jìn)其活性。
2.PEP+ CO2+GDP=草酰乙酸+GTP 由磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶催化，需Mn2+，在腦和心臟中有這個反應(yīng)。
3.由天冬氨酸轉(zhuǎn)氨生成草酰乙酸，谷氨酸生成α-酮戊二酸，異亮氨酸、纈氨酸、蘇氨酸和甲硫氨酸生成琥珀酰輔酶A。
五、乙醛酸循環(huán)
六、許多植物和微生物可將脂肪轉(zhuǎn)化為糖，是通過一個類似三羧酸循環(huán)的乙醛酸循環(huán)，將2個乙酰輔酶A合成一個琥珀酸。此循環(huán)生成異檸檬酸后經(jīng)異檸檬酸裂解酶催化，生成琥珀酸和乙醛酸，乙醛酸與另一個乙酰輔酶A縮合產(chǎn)生蘋果酸，由蘋果酸合成酶催化。然后與三羧酸循環(huán)相同。
第四節(jié) 磷酸戊糖途徑
一、作用在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行
(一)產(chǎn)生NADP，為生物合成提供還原力，如脂肪酸、固醇等。NADPH還可使谷胱甘肽維持還原態(tài)，維持紅細(xì)胞還原性。
(二)產(chǎn)生磷酸戊糖，參加核酸代謝
(三)是植物光合作用中從CO2合成葡萄糖的部分途徑
二、途徑
(一)氧化階段：生成5-磷酸核酮糖，并產(chǎn)生NADPH
1. 葡萄糖-6-磷酸在葡萄糖-6-磷酸脫氫酶作用下生成6-磷酸葡萄糖酸內(nèi)酯，并產(chǎn)生NADPH。是此途徑的調(diào)控酶，催化不可逆反應(yīng)，受NADPH反饋抑制。
2. 被6-磷酸葡萄糖酸δ內(nèi)酯酶水解，生成6-磷酸葡萄糖酸。
3. 在6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶作用下脫氫、脫羧，生成5-磷酸核酮糖，并產(chǎn)生NADPH。
(二)分子重排，產(chǎn)生6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛
1. 異構(gòu)化，由磷酸戊糖異構(gòu)酶催化為5-磷酸核糖，由磷酸戊糖差向酶催化為5-磷酸木酮糖。
2. 轉(zhuǎn)酮反應(yīng)。5-磷酸木酮糖和5-磷酸核糖在轉(zhuǎn)酮酶催化下生成3-磷酸甘油醛和7-磷酸景天庚酮糖。此酶也叫轉(zhuǎn)酮醇酶，需TPP和鎂離子，生成羥乙醛基TPP負(fù)離子中間物。
3. 轉(zhuǎn)醛反應(yīng)。7-景天庚酮糖與3-磷酸甘油醛在轉(zhuǎn)醛酶催化下生成4-磷酸赤蘚糖和6-磷酸果糖，反應(yīng)中酶分子的賴氨酸氨基與酮糖底物生成西弗堿中間物。
4. 轉(zhuǎn)酮反應(yīng)。4-磷酸赤蘚糖與5-磷酸木酮糖在轉(zhuǎn)酮酶催化下生成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛。
5. 總反應(yīng)為：
3核糖-5-磷酸=2果糖-6-磷酸+甘油醛-3-磷酸
如細(xì)胞中磷酸核糖過多，可以逆轉(zhuǎn)反應(yīng)，進(jìn)入酵解。
第五節(jié) 糖醛酸途徑
一、意義
(一)解毒：肝臟中的糖醛酸有解毒作用，可與含羥基、巰基、羧基、氨基等基團(tuán)的異物或藥物結(jié)合，生成水溶性加成物，使其溶于水而排出。
(二)生物合成：UDP-糖醛酸可用于合成粘多糖，如肝素、透明質(zhì)酸、硫酸軟骨素等。
(三)合成維生素C，但靈長類不能。
(四)形成木酮糖，可與磷酸戊糖途徑相連。
二、過程
(一)6-磷酸葡萄糖轉(zhuǎn)化為UDP-葡萄糖，再由NAD連接的脫氫酶催化，形成UDP-葡萄糖醛酸。
(二)合成維生素C：UDP-葡萄糖醛酸經(jīng)水解、還原、脫水，形成L-古洛糖酸內(nèi)酯，再經(jīng)L-古洛糖酸內(nèi)酯氧化酶氧化成抗壞血酸。靈長類動物、豚鼠、印度果蝙蝠不能合成。
(三)通過C5差向酶，形成UDP-艾杜糖醛酸。
(四)L-古洛糖酸脫氫，再脫羧，生成L-木酮糖，然后與NADPH加氫生成木糖醇，還原NAD+生成木酮糖，與磷酸戊糖途徑相連。
第六節(jié) 糖的異生
一、意義
(一)將非糖物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樘牵跃S持血糖恒定，滿足組織對葡萄糖的需要。人體可供利用的糖僅150克，而且儲量最大的肌糖原只供本身消耗，肝糖原不到12小時即全部耗盡，這時必需通過異生補(bǔ)充血糖，以滿足腦和紅細(xì)胞等對葡萄糖的需要。
(二)將肌肉酵解產(chǎn)生的乳酸合成葡萄糖，供肌肉重新利用，即乳酸循環(huán)。
二、途徑
基本是酵解的逆轉(zhuǎn)，但有三步不同：
(一)由丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸
1. 丙酮酸在丙酮酸羧化酶作用下生成草酰乙酸
此酶存在于肝和腎臟的線粒體中，需生物素和鎂離子。鎂離子與ATP結(jié)合，提供能量，生成羧基生物素，再轉(zhuǎn)給丙酮酸，形成草酰乙酸。此酶是別構(gòu)酶，受乙酰輔酶A調(diào)控，缺乏乙酰輔酶A時無活性。ATP含量高可促進(jìn)羧化。此反應(yīng)聯(lián)系三羧酸循環(huán)和糖異生，乙酰輔酶A可促進(jìn)草酰乙酸合成，如ATP含量高則三羧酸循環(huán)被抑制，異生加快。
2. 草酰乙酸過膜：異生在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，草酰乙酸要轉(zhuǎn)化為蘋果酸才能出線粒體膜，在細(xì)胞質(zhì)中再氧化成草酰乙酸。這是由蘋果酸脫氫酶催化的，同時帶出一個NADH。因為線粒體中還原輔酶多，NAD+/NADH在細(xì)胞質(zhì)中是500-700，線粒體中是5-8。
3. 磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶催化草酰乙酸生成PEP。反應(yīng)需GTP提供磷酰基，速度受草酰乙酸濃度和激素調(diào)節(jié)。胰高血糖素、腎上腺素、糖皮質(zhì)激素可增加肝臟中的酶量，胰島素相反。
總反應(yīng)為：
丙酮酸+ATP+GTP+H2O=PEP+ADP+GDP+Pi+H+
反應(yīng)消耗2個高能鍵，比酵解更易進(jìn)行。
(二)果糖二磷酸酶催化果糖-1，6-二磷酸水解為果糖-6-磷酸。需鎂離子。是別構(gòu)酶，AMP強(qiáng)烈抑制酶活，平時抑制酶活50%。果糖2，6-二磷酸也抑制，ATP、檸檬酸和3-磷酸甘油酸可激活。
(三)6-磷酸葡萄糖水解，生成葡萄糖。由葡萄糖-6-磷酸酶催化，需鎂離子。此酶存在于肝臟，腦和肌肉沒有。
總反應(yīng)為：
2丙酮酸+4ATP+2GTP+2NADH+2H++4H2O=葡萄糖+NAD+ +4ADP+2GDP+6Pi
三、糖異生的前體
(一)三羧酸循環(huán)的中間物，如檸檬酸、琥珀酸、蘋果酸等。
(二)大多數(shù)氨基酸是生糖氨基酸，如丙氨酸、絲氨酸、半胱氨酸等，可轉(zhuǎn)變?yōu)槿人嵫h(huán)的中間物，參加異生。
(三)肌肉產(chǎn)生的乳酸，可通過乳酸循環(huán)(Cori循環(huán))生成葡萄糖 。
反芻動物胃中的細(xì)菌將纖維素分解為乙酸、丙酸、丁酸等，奇數(shù)碳脂肪酸可轉(zhuǎn)變?yōu)殓牾］o酶A，參加異生。
第七節(jié) 糖原的合成與分解
一、分解代謝
(一)糖原磷酸化酶從非還原端水解α-1，4糖苷鍵，生成1-磷酸葡萄糖。到分支點前4個殘基停止，生成極限糊精。可分解40%。有a,b兩種形式，b為二聚體，磷酸化后生成有活性的a型四聚體。b也有一定活性，受AMP顯著激活。
(二)去分支酶：有兩個活性中心，一個是轉(zhuǎn)移酶，將3個殘基轉(zhuǎn)移到另一條鏈，留下以α-1，6鍵相連的分支點。另一個活性中心起脫支酶作用，水解分支點殘基，生成游離葡萄糖。
(三)磷酸葡萄糖變位酶：催化1-磷酸葡萄糖生成6-磷酸葡萄糖，經(jīng)1，6-二磷酸葡萄糖中間物。
(四)肝臟、腎臟、小腸有葡萄糖6-磷酸酶，可水解生成葡萄糖，補(bǔ)充血糖。肌肉和腦沒有，只能氧化供能。
二、合成：與分解不同
(一)在UDP-葡萄糖焦磷酸化酶作用下，1-磷酸葡萄糖生成UDP-葡萄糖，消耗一個UTP，生成焦磷酸
(二)糖原合成酶將UDP-葡萄糖的糖基加在糖原引物的非還原端葡萄糖的C4羥基上。引物至少要有4個糖基，由引發(fā)蛋白和糖原起始合成酶合成，將UDP-葡萄糖加在引發(fā)蛋白的酪氨酸羥基上。糖原合成酶a磷酸化后活性降低，稱為b，其活性依賴別構(gòu)效應(yīng)物6-磷酸葡萄糖激活。
(三)分支酶合成支鏈。從至少11個殘基的鏈上將非還原端7個殘基轉(zhuǎn)移到較內(nèi)部的位置，形成1，6鍵分支。新的分支必需與原有糖鏈有4個殘基的距離。分支可加快代謝速度，增加溶解度。
三、衍生糖的合成
(一)GDP-巖藻糖
Glc→Glc-6-P→Fru-6-P→Man-6-P→Man-1-P→GDP-Man→GDP-巖藻糖
(二)UDP-葡萄糖胺
Fru-6-P→葡萄糖胺-6-P→NacG-6-P→NAcG-1-P→UDP-NacG
(三)CMP-唾液酸
UDP-NAcG→N-乙酰神經(jīng)氨酸-9-磷酸→N-乙酰神經(jīng)氨酸(唾液酸)→CMP-唾液酸
第八節(jié) 糖代謝的調(diào)節(jié)
一、酵解的調(diào)節(jié)
三個酶。通過能量與生物合成的原料調(diào)節(jié)。
(一)磷酸果糖激酶是限速酶。其調(diào)節(jié)物有：
1. ATP是底物，也是負(fù)調(diào)節(jié)物，可被AMP逆轉(zhuǎn)。當(dāng)細(xì)胞中能荷(ATP/AMP)高時，酶對6-磷酸果糖的親和力降低。
2. 檸檬酸是三羧酸循環(huán)的第一個產(chǎn)物，其濃度增加表示生物合成的前體過剩，可加強(qiáng)ATP的抑制作用。
3. 氫離子也有抑制作用，可防止乳酸過多引起血液酸中毒。
4. 2，6-二磷酸果糖是別構(gòu)活化劑，可增加對底物的親和力。由磷酸果糖激酶2合成，在果糖二磷酸酶催化下水解成6-磷酸果糖。這兩個酶稱為前后酶或雙功能酶，組成相同，其絲氨酸磷酸化后起磷酸酶作用，去磷酸則起激酶作用。
(二)己糖激酶控制酵解的入口，因為6-磷酸葡萄糖的用處較多，參加磷酸戊糖途徑、糖醛酸途徑和糖原合成等，所以不是關(guān)鍵酶，由產(chǎn)物反饋抑制，磷酸果糖激酶活性降低則6-磷酸葡萄糖積累，抑制己糖激酶活性。
(三)丙酮酸激酶控制出口。
1. 1，6-二磷酸果糖起活化作用，與磷酸果糖激酶協(xié)調(diào)，加速酵解。
2. 丙酮酸轉(zhuǎn)氨生成丙氨酸，別構(gòu)抑制，表示生物合成過剩。
3. 其三種同工酶調(diào)節(jié)不同，肝臟的L型同工酶受ATP別構(gòu)抑制，且有可逆磷酸化。血糖低時被級聯(lián)放大系統(tǒng)磷酸化，降低活性，而肌肉中的M型不受磷酸化調(diào)節(jié)，血糖低時也可酵解供能。A型介于兩者之間。
二、三羧酸循環(huán)的調(diào)控
由三個酶調(diào)控：檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶。第一步是限速步驟，受底物濃度影響和ATP的抑制。ATP還抑制異檸檬酸脫氫酶，ADP起激活作用。NADH對三種酶都抑制。琥珀酰輔酶A與乙酰輔酶A競爭，抑制檸檬酸合成酶和α-酮戊二酸脫氫酶。草酰乙酸濃度低，是影響三羧酸循環(huán)速度的重要因素。
三、酵解、三羧酸循環(huán)與氧化磷酸化
給高速酵解的細(xì)胞氧氣，則葡萄糖消耗減少，乳酸堆積終止，稱為巴斯德效應(yīng)。原因是有氧時丙酮酸氧化，產(chǎn)生大量ATP，抑制酵解和三羧酸循環(huán)。三者都由能荷控制。
四、糖異生和酵解的協(xié)調(diào)
(一)高濃度的6-磷酸葡萄糖抑制己糖激酶，促進(jìn)異生。
(二)酵解和異生的控制點是6-磷酸果糖與1，6-二磷酸果糖的轉(zhuǎn)化。ATP和檸檬酸促進(jìn)異生，抑制酵解。2，6-二磷酸果糖相反，是重要調(diào)節(jié)物。
(三)丙酮酸與磷酸烯醇式丙酮酸的轉(zhuǎn)化，丙酮酸羧化酶受乙酰輔酶A激活，ADP抑制;丙酮酸激酶被ATP、NADH和丙氨酸抑制。
(四)無效循環(huán)：由不同酶催化的兩個相反代謝反應(yīng)條件不同，一個需要ATP參加，另一個進(jìn)行水解，結(jié)果只是消耗能量，反應(yīng)物不變，稱為無效循環(huán)。可用于產(chǎn)熱。
五、糖原代謝的調(diào)節(jié)
其分解與合成主要由糖原磷酸化酶和糖原合成酶控制。二者都受可逆磷酸化調(diào)節(jié)，效果相反。激素通過cAMP促進(jìn)磷酸化作用，使磷酸化酶成為a型(有活性)，合成酶變成b型(無活性)。合成酶由蛋白激酶磷酸化。
六、神經(jīng)和激素對血糖的調(diào)節(jié)
血糖濃度一般在80-120mg/100ml，稱為葡萄糖耐量。腎糖閾為160-180，血糖過多則從尿排出。血糖低于70或過度興奮可刺激延腦第四腦室“糖中樞”，引起肝糖原分解。下丘腦可分泌皮質(zhì)釋放因子，作用于腎上腺皮質(zhì)，升高血糖。影響糖代謝的激素有：
1.胰島素：由胰島β細(xì)胞分泌，促進(jìn)糖原合成酶活性，誘導(dǎo)葡萄糖激酶合成，加強(qiáng)磷酸果糖激酶作用。低血糖效應(yīng)。
2.腎上腺素和胰高血糖素：通過cAMP激活糖原磷酸化酶，誘導(dǎo)肝中磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶和果糖二磷酸酶的合成，促進(jìn)異生，升高血糖。
3.生長激素：抗胰島素，抑制糖原分解和葡萄糖氧化。促腎上腺皮質(zhì)激素可阻礙肌糖原氧化，促進(jìn)肝糖原合成。
4.甲狀腺素：促進(jìn)糖的異生和糖原分解，增加小腸對葡萄糖的吸收，升高血糖。
以上激素都是水溶性激素，通過cAMP起作用。
第九節(jié) 光合作用(課本27章)
1771年J. Priestly發(fā)現(xiàn)植物能“凈化被燃燒的蠟燭所惡化的空氣”。后來普里斯特利因同情法國革命而被迫離開英國。拉瓦錫發(fā)現(xiàn)了氧化現(xiàn)象和物質(zhì)不滅定律，打破了燃素假說;荷蘭人發(fā)現(xiàn)植物在陽光下可以凈化空氣，在黑暗中會惡化空氣。瑞士人根據(jù)物質(zhì)不滅定律證明光合作用中有水參加;德國人羅伯特f邁耶發(fā)現(xiàn)能量守恒定律，指出光合作用是光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程。每年光合作用可轉(zhuǎn)化1017千卡自由能，相當(dāng)于同化1010噸碳。
一、概述
(一)光合細(xì)胞捕獲光能并轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程，即利用光能將CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的過程稱為光合作用。綠色植物以水為電子供體，放出氧氣，光合細(xì)菌以H2S等為供體，不放出氧氣。
(二)光合作用分為兩個階段，第一階段是光反應(yīng)，由光合色素將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，并形成ATP和NADPH。第二階段是暗反應(yīng)，用ATP和NADPH將CO2還原為糖或其他有機(jī)物，不需要光。
(三)葉綠體是光合作用的器官，有外膜和內(nèi)膜，膜上有光合色素。膜包著基質(zhì)，其中有暗反應(yīng)需要的酶。細(xì)菌無葉綠體。
二、光反應(yīng)
(一)光系統(tǒng)
1.光系統(tǒng)I：700nm激活，產(chǎn)生NADPH
2. 光系統(tǒng)II：680nm激活，產(chǎn)生O2
(二)過程：分為兩個階段
1. P680吸收光能，產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑，從水中奪取電子，通過電子傳遞鏈傳給質(zhì)藍(lán)素(一種銅蛋白)，同時產(chǎn)生質(zhì)子梯度。
2. 電子從質(zhì)藍(lán)素傳給P700，再吸收光能，將電子傳遞給NADP+，并提高質(zhì)子梯度。
(三)光合磷酸化：依賴質(zhì)子梯度，由葉綠體ATP合成酶(CFO-CF1)合成ATP。根據(jù)電子傳遞方式可分為循環(huán)式和非循環(huán)式。當(dāng)NADP+不足時，采用非循環(huán)式，不放氧氣。
三、暗反應(yīng)
(一)三碳途徑：生成三碳中間物
1. 固定：1，5-二磷酸核酮糖在二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)催化下與CO2生成2-羧基-3-酮-1，5-二磷酸核糖醇，然后加水分解為2個3-磷酸甘油酸。Rubisco占葉綠體總蛋白的60%，是自然界中含量最豐富的酶。
2. 生成葡萄糖：與異生相似，但3-磷酸甘油醛脫氫酶在葉綠體中以NADPH為輔基。
3. 二磷酸核酮糖的再生：一系列轉(zhuǎn)酮和轉(zhuǎn)醛反應(yīng)，與戊糖途徑類似。由6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛開始，經(jīng)四碳、七碳，生成5-磷酸核酮糖，在磷酸核酮糖激酶催化下生成1，5-二磷酸核酮糖。
4. 總反應(yīng)為：
6CO2+12H2O+18ATP+12NADPH+12H+ =
C6H12O6+18ADP+18Pi+12NADP+
此過程需8個光子，按波長600nm計算，能量為381千卡，葡萄糖氧化為可放能114千卡，所以能量利用率約為30%。
(二)調(diào)控：二磷酸核酮糖羧化酶是別構(gòu)限速酶，光照射葉綠體產(chǎn)生的三個因素可刺激酶活：
1. 光照使質(zhì)子外流，基質(zhì)內(nèi)pH升高，增加酶活。
2. 質(zhì)子轉(zhuǎn)運伴隨著氯和鎂離子的轉(zhuǎn)移，鎂離子濃度升高也刺激酶活。
3. 光照增加NADPH，提高反應(yīng)速度。
4. 光系統(tǒng)I中的鐵氧還蛋白可還原硫氧還蛋白，后者可協(xié)調(diào)光和暗反應(yīng)，激活暗反應(yīng)中的一些酶。可加快100倍。
(三)光呼吸
二磷酸核酮糖羧化酶還催化二磷酸核酮糖氧化生成3-磷酸甘油酸和磷酸乙醇酸，前者可參加糖的合成，后者通過乙醛酸途徑放出CO2。氧化和羧化在同一位點，彼此競爭，羧化活性高4倍。光呼吸浪費能量，希望通過基因工程改造除去。
光呼吸隨溫度升高而加快的速度比羧化更快，所以高溫時光合作用效率降低。四碳植物CO2含量高，可抑制光呼吸，所以更適宜在高溫下生長。
(四)四碳途徑
存在于熱帶和亞熱帶植物中，利用CO2的效率特別高。其葉肉細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中碳酸酐酶催化CO2形成碳酸氫根，再由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶形成草酰乙酸，被NADPH還原成蘋果酸，轉(zhuǎn)移到維管束細(xì)胞，脫羧生成丙酮酸和CO2。CO2進(jìn)入三碳循環(huán)，丙酮酸返回葉肉細(xì)胞，被丙酮酸磷酸二激酶催化形成磷酸烯醇式丙酮酸。因此每固定一個CO2四碳途徑多消耗2個ATP，共5個。熱帶植物常關(guān)閉氣孔，CO2和O2都不易進(jìn)入，通過四碳途徑可保持二磷酸核酮糖的最大活力，降低光呼吸，所以四碳植物生長快，是高產(chǎn)植物。
名詞解釋：
酵解(glycolysis)：由10步酶促反應(yīng)組成的糖分解代謝途徑。通過該途徑，一分子葡萄糖轉(zhuǎn)化為兩分子丙酮酸，同時凈生成兩分子ATP和兩分子NADH。
發(fā)酵(fermentation)：營養(yǎng)分子(Eg葡萄糖)產(chǎn)能的厭氧降解。在乙醇發(fā)酵中，丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙醇和CO2。
巴斯德效應(yīng)(Pasteur effect)：氧存在下，酵解速度放慢的現(xiàn)象。
底物水平磷酸化(substrate phosphorlation)：ADP或某些其它的核苷-5′—二磷酸的磷酸化是通過來自一個非核苷酸底物的磷酰基的轉(zhuǎn)移實現(xiàn)的。這種磷酸化與電子的轉(zhuǎn)遞鏈無關(guān)。
檸檬酸循環(huán)(citric acid cycle)：也稱為三羧酸循環(huán)(TAC)，Krebs循環(huán)。是用于乙酰CoA中的乙酰基氧化成CO2的酶促反應(yīng)的循環(huán)系統(tǒng)，該循環(huán)的第一步是由乙酰CoA經(jīng)草酰乙酸縮合形成檸檬酸。
回補(bǔ)反應(yīng)(anaplerotic reaction)：酶催化的，補(bǔ)充檸檬酸循環(huán)中間代謝物供給的反應(yīng)，例如由丙酮酸羧化酶生成草酰乙酸的反應(yīng)。
乙醛酸循環(huán)(glyoxylate cycle)：是某些植物，細(xì)菌和酵母中檸檬酸循環(huán)的修改形式，通過該循環(huán)可以收乙乙酰CoA經(jīng)草酰乙酸凈生成葡萄糖。乙醛酸循環(huán)繞過了檸檬酸循環(huán)中生成兩個CO2的步驟
戊糖磷酸途徑(pentose phosphare parhway)：那稱為磷酸已糖支路。是一個葡萄糖-6-磷酸經(jīng)代謝產(chǎn)生NADPH和核糖-5-磷酸的途徑。該途徑包括氧化和非氧化兩個階段，在氧化階段，葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)化為核酮糖-5-磷酸和CO2，并生成兩分子NADPH;在非氧化階段，核酮糖-5-磷酸異構(gòu)化生成核糖-5-磷酸或轉(zhuǎn)化為酵解的兩用人才個中間代謝物果糖-6-磷酸和甘油醛-3-磷酸。
糖醛酸途徑(glucuronate pathway)：從葡萄糖-6-磷酸或葡萄糖-1-磷酸開始，經(jīng)UDP-葡萄糖醛酸生成葡萄糖醛酸和抗壞血酸的途徑。但只有在植物和那些可以合成抗壞血酸的動物體內(nèi)，才可以通過該途徑合成維生素C。
無效循環(huán)(futile cycle):也稱為底物循環(huán)。一對酶催化的循環(huán)反應(yīng)，該循環(huán)通過ATP的水解導(dǎo)致熱能的釋放。Eg葡萄糖+ATP=葡萄糖6-磷酸+ADP與葡萄糖6-磷酸+H2O=葡萄糖+P i反應(yīng)組成的循環(huán)反應(yīng)，其凈反應(yīng)實際上是ATP+H2O=ADP+Pi。
磷酸解(phosphorolysis)作用：:通過在分子內(nèi)引入一個無機(jī)磷酸，形成磷酸脂鍵而使原來鍵斷裂的方式。實際上引入了一個磷酰基。
半乳糖血癥(galactosemia)：人類的一種基因型遺傳代謝缺陷，是由于缺乏1-磷酸半乳糖尿苷酰轉(zhuǎn)移酶，導(dǎo)致嬰兒不能代謝奶汁中乳糖分解生成的半乳糖。
尾部生長(tailward growth)：一種聚合反應(yīng)機(jī)理經(jīng)過私有化的單體的頭部結(jié)合到聚合的尾部，連接到聚合物尾部的單體的尾部又生成了接下一個單體的受體。
糖異生作用(gluconenogenesis)：由簡單的非糖前體轉(zhuǎn)變?yōu)樘堑倪^程。糖異生不是糖酵解的簡單逆轉(zhuǎn)。雖然由丙酮酸開始的糖異生利用了糖酵解中的七步進(jìn)似平衡反應(yīng)的逆反應(yīng)，但還必需利用另外四步酵解中不曾出現(xiàn)的酶促反應(yīng)，繞過酵解過程中不可逆的三個反應(yīng)。
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