第五章糖代谢 学习目标 通过本章学习，你应该能够： 掌握糖酵解的概念、反应部位、基本过程、关键隋和生理意义，糖有氧氧化的概 念，丙酮酸氧化脱羧及三羧酸循环的反应部位、主要产物，三羧酸循环的 基本过程、关键酶，三羧酸循环的作用，糖有氧氧化的生理意义，磷酸戊糖 途径的念，第一阶段的主要产：物和腾酸戊糖涂径的生理意义脑原合成 与分解的关键酶，糖异生的概念、原料、关键酶和生理意义，乳酸循环的概 念及其生理意义，血糖的概念，血糖的来源与去路。 熟悉糖的主要生理功能，糖酵解的特点，糖有氧氧化的基本过程，三羧酸循环 的特点，磷酸成糖途径的关键酶，肌糖原不能分解为葡萄糖的原因，肝糖 原合成与分解的激素调节机制，血糖浓度的调节机制，包括激素和器官 调节。 了解糖的概念与分类，糖代谢的概况、糖酵解的调节、糖有氧氧化的调节、磷酸 戊糖途径的基本过程和调节，糖原的结构，糖原合成与分解的特点，糖原 累积症，糖异生途径的基本过程、甘油、乳酸、氨基酸进行糖异生的基本途 径，糖异生途径的调节，其他糖的代谢，血糖的正常值，高血糖与低血糖等 糖代谢异常疾病。 糖是自然界存在的一大类有机化合物，是人类食物中的重要成分。由C、H,0所组成的多羟醛，多 羟酮类以及它们的衍生物或多聚物（图51）。多数糖可表示为Cx(H,0)y,如葡萄糖[C(H,0)。]、[蔗 糖C(H,0)]。因此曾被称为“碳水化合物”。随后人们发现此名称并不确切，如非糖物质甲醛 [C,(H,0),]、醋酸[C,(H,0)2]等：有些糖类物质不能用Cx(H,0)y表示，如脱氧核糖[CH0C,H。0,]: =0 20 H-C-0 HO- 一H H-C-OH 0 CH OF 甘油醛 D-葡萄糖 二羟内酮 D果糖 (多羟醛) (多羟酮》 图51糖的基本结构（多羟醛或多羟酮】 108
第五康代增 有的糖类分子除含C、H、0外，还含S或N如氨基葡萄糖。事实上，没有任何一种糖可由碳、水化合而 成，但习惯上这种称谓仍在使用。 第一节概述 一、糖的分类与生理功能 根据糖能否被水解和水解后的产物情况，糖可分为单糖(monosaccharide)、寡糖(oligosaccharide)、多 糖(polysaccharide)和结合糖四类：凡不能被水解为更小分子的糖称为单糖如葡萄糖、果糖(fructose)、半 乳糖(galactose)、甘露糖(mannose)等：凡能水解为少数单糖分子的糖称为寡糖如蔗糖(sucrose,葡萄糖 果糖)，乳糖(lactose,葡萄糖-半乳糖)、麦芽糖(maltose,葡萄糖-葡萄糖)等；凡能水解为多个单糖分子的 糖称为多糖如来源于植物的淀粉(starch)、纤维素(cellulose)以及来源于动物的糖原(glycogen)等；结合 糖是指糖与非糖物质的结合物如糖脂(ycolipid,糖与脂类的结合物)、糖蛋白(glycoprotein,糖与蛋白质 的结合物)等。 糖的主要生理功能包括： 1.氧化分解供能糖最重要的生理功能是为生命活动过程提供能量。1ml葡萄糖(glucose,G)完 全氧化为二氧化碳和水可释放2840kJ(679kcal/mol)的能量，人体所需能量的50%~80%来自于糖。 2.提供碳源糖代谢的许多中间产物可为机体合成其他含碳化合物如非必需氨基酸、脂肪酸等提 供碳元素。 3.糖的其他生理功能如构成结缔组织、软骨基质的蛋白聚糖：某些激素、免疫球蛋白、血型物质 等体内具有特殊生理功能的糖蛋白含有糖；许多重要的生物活性物质含有糖的衍生物如NAD、,FAD DNA、RNA等。 二、糖的消化与吸收 (一】糖的消化 糖在自然界中分布广泛，其中以植物中含量最为丰富（约占干重的85%~90%）。人类食物中的糖 主要有淀粉、糖原、蔗糖、乳糖、葡萄糖、果糖等，以淀粉为主。另外，也含有大量纤维素，因人体内缺乏纤 维素酶（或称B糖苷酶）而不能对其分解利用，因而纤维素对人类来说没有营养价值，反而大量纤维素 在胃肠道还可能干扰营养物质的消化吸收。但纤维素有刺激胃肠蠕动的作用，能缩短肠内容物在肠道 的停留时间，也为维持人类健康所必需。此外，还发现，食物中含一定量的纤维素有利于降低血胆固醇。 大分子的淀粉不能直接被人体吸收与利用，必须经过消化道水解酶的作用，变成小分子的葡萄糖等 单糖才能被吸收，转运与利用。淀粉的消化主要通过来源于唾液、胰腺的a-淀粉酶(a~amylase)进行 水解。 在人类，淀粉的消化从口腔开始，唾液中的α-淀粉酶能将淀粉部分水解为α-糊精等。但因食物在 口腔中停留时间很短，所以对淀粉的水解作用较小。当食物进入胃后，睡液淀粉酶受到胃酸的作用，很 快失去活性，对淀粉的消化作用随即停止。因此，淀粉的消化主要是在小肠肠腔和肠黏膜上皮细胞表面 讲行。 小肠是消化糖最重要的器官。小肠肠腔中含有来自胰腺的α-淀粉酶，能将淀粉水解为α-糊精及多 种寡糖，后者进一步在小肠黏膜上皮细胞表面的多种寡糖酶作用下被水解为葡萄糖等单糖（图52），接 着被小肠黏膜上皮细胞吸收。 食物中的其他糖如乳糖、蔗糖、麦芽糖等，可被小肠黏膜上皮细胞表面的相应酶水解为葡萄糖、半乳 糖、果糖等单糖被吸收。若消化乳糖的乳糖酶缺乏，在食用牛奶后易发生乳糖消化吸收障碍，可引起腹 109
第二草物质代谢及其精节 淀粉 口腔 唾液a-淀粉酶 肠腔◆ a淀粉酶 麦芽糖+麦芽三糖 α-临界糊精+异麦芽 a-葡萄糖苷酶 a临界糊精酶 葡萄糖 图52食物淀粉的消化概况 胀、腹泻等症状。 (二)糖的吸收与转运 小肠黏膜细胞对单糖的吸收是消耗能量的主动转运过程且吸收速度不同，若以葡萄糖的吸收速度 为100%，则各单糖的吸收速率为：半乳糖(110%)>葡萄糖(100%)>果糖(43%)。 对葡萄糖的吸收是通过特定转运载体并伴有N转运的过程，该转运载体被称为Na依赖型葡 萄糖转运蛋白(sodium-dependent glucose transporter,SGLT)。葡萄糖的吸收部位在小肠上段，其吸收 过程是一个主动耗能的过程（图53）：在小肠上皮细胞刷状缘上有与膜相结合的Na依赖型葡萄糖 转运蛋白，葡萄糖与Na分别结合在SGLT的不同部位，经SGLT一同被转运至细胞内，从而使葡萄树 逆浓度梯度被吸收。当Na'进入细胞后，启动Na泵(Na'、K'-ATP酶)分解ATP获得能量并将Na排 出细胞。 个细 （欲) K Na到 Na ADP+P 刷状缘 细胞内膜 图53小肠黏膜细胞对葡萄糖的转运机制 N依赖型葡萄糖转运蛋白除了在消化道葡萄糖吸收中发挥作用外，在肾小管上皮细胞的葡萄糖重 吸收中也有重要作用。 葡萄糖经小肠黏膜细胞吸收入血后，经门静脉系统通过 肝脏而进入血液循环，运往全身各组织细胞（图5-4）。葡萄 小肠新腔SGL工肠黏膜上皮铜胞 糖由血液进人各种组织细胞需借助于细胞膜上的葡萄糖转运 体(glucose transporter,GLUT)。人体中已经发现的葡萄糖转 门静脉 运体有12种(GLUT1~12),GLUT1~5功能较为明确，GLUT 各种组织细胞，G肛体循环，一肝键 1和GLUT3广泛分布于全身各组织中，是细胞摄取血液葡萄 糖的基本转运体：GLUT-2主要存在于肝细胞和胰腺B细胞 图54葡萄糖的吸收与转运 110
第五章糖代谢 中，与葡萄糖的亲和力较低，需要较高浓度葡萄糖才能发挥作用：而葡萄糖转运体4(GLUT4)则主要存 在于脂肪和肌肉组织，以胰岛素依赖方式摄取葡萄糖，加强耐力训练可使肌肉细胞膜上的GLUT-4数量 增加；GLUT-5主要分布在小肠，是果糖转运至细胞的重要转运蛋白。 进食高糖食物后，由于血液葡萄糖浓度迅速升高，引起胰岛素分泌增加，胰岛素可使原先位于脂肪 细胞和肌肉细胞内囊泡中的GLUT4重新分布于细胞膜，从而促使脂肪细胞和肌肉细胞摄取并利用葡 萄糖。若胰岛素分泌不足或胰岛素功能障碍，使脂肪细胞和肌肉细胞内的GLUT-4转位至细胞膜发生 障碍，与糖尿病的发生有关。 三、糖代谢概况 进入细胞内的葡萄糖通过一系列复杂的化学反应进行糖代谢。细胞内葡萄糖的代谢包括分 解、储存、合成三方面内容：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树 途径，其中前两个分解涂径主要是涉及葡萄糖的分解供能（产生ATP),而磷酸戊糖涂径并不产生 ATP,主要是为机体提供某些物质如合成核苷酸需要的核糖等：糖的储存涉及葡萄糖合成糖原以 及肝糖原的分解等代谢；糖的合成主要涉及非糖物质如乳酸、甘油、丙氨酸等异生为糖原或葡萄 糖。以上这些代谢途径在不同细胞中的进行情况，主要取决于不同类型细胞的代谢特点和供氧情 况。例如，在葡萄糖供应充足时机体绝大多数组织细胞若氧气供应充足，均可将葡萄糖分解为 氧化碳和水并产生ATP:肌肉细胞在缺氧时，可将葡萄糖进行无氧氧化生成乳酸，也可产生ATP: 在饱食状态下，肝、肌肉可将葡萄糖转化为糖原而储备起来，其中肝的糖原可在空腹状态下分解补 充血液中的葡萄糖；在长时间空腹或饥饿状态下，某些非糖物质如乳酸、甘油、丙氨酸等可通过糖 异生途径转变为糖原或葡萄糖。 第二节糖的无氧氧化 在无法利用氧或氧供应不足时，由葡萄糖或糖原经过一系列反应转变为乳酸并产生能量的过程称 为糖的无氧分解或糖酵解(y©oyis)。在酵母菌中由葡萄糖 CH:0葡萄糖 转变为乙醇的过程称为发酵。其中，从葡萄糖至丙酮酸的途 径相同，又称为糖酵解途径 糖酵解是生物界最古老、最普遍的一种供能方式，广泛 CH,0(丙雨酸 存在于包括人类在内的动植物界和许多微生物体内：而且也 酵解（乳酸+少量能量） 是糖有氧氧化的前奏（图55）。 无时二乙+0少量能制 有氧时 有氧氧化(CO2+H0+大量能量) 一、糖酵解的反应过程 图55葡萄糖分解供能途径 糖酵解的整个过程在胞液中完成，从葡萄糖起始包括11 步反应。通常分为三阶段。 (一)第一阶段：葡萄糖的裂解 糖酵解的第一阶段是耗能的过程，通过对葡萄糖进行反复磷酸化，生成双磷酸六碳糖（即1,6 二磷酸果糖)，随后被裂解为2分子磷酸丙糖（即磷酸二羟丙酮和3磷酸甘油醛）。具体反应 如下： L.葡萄糖磷酸化生成葡糖-6-磷酸葡萄糖通过己糖激酶(hexokinase)催化，由ATP提供磷酸 基团（即消耗1分子ATP),形成葡糖-6-磷酸(glucose-6-phosphate,G-6-P)。磷酸化的葡萄糖含有 带负电荷的磷酸基团，不能自由通过细胞膜而逸出细胞。该反应不可逆，也是糖酵解中的第一个 限速步骤」 111
第二篇物质代谢及其调节 HO-CHa ⑨0-CH R/H H ATP ADP H 萄糖 葡糖6磷酸 己糖激酶专一性不强，葡萄糖、果糖、半乳糖等均可为其底物，被磷酸化后生成相应的磷酸化己糖形 式。哺乳动物的已糖激酶有4种同工酶，分别称为己糖激酶I~N。肝细胞中存在的是己糖激酶Ⅳ，特 称为葡萄糖激酶(lucokinase)。此酶的特点是：①对底物葡萄糖有严格专一性：②对葡萄糖的亲和力低 (葡萄糖激酶Km约为10mmol/L,而己糖激酶Km约为0.1mmol/L),需要较高浓度葡萄糖才能发挥价 用：③其活性受激素调控，对产物（葡糖-6-磷酸）的反馈抑制不敏感。这些特性使葡糖激酶在维持血糖 浓度恒定和葡萄糖代谢中有重要的生理作用。 若从糖原起始，糖原被磷酸解生成葡糖-1-磷酸（此步由无机磷酸提供磷酸基团，不消耗ATP,详见 本章“糖原分解”)，在磷酸葡糖变位酶作用下转变为葡糖-6-磷酸。 2.葡糖-6-磷酸异构为果糖-6-磷酸葡糖-6-磷酸在磷酸己糖异构酶(phosphohexose isomerase)作 用下进行醛糖与酮糖间的异构反应转变为果糖-6-磷酸，磷酸己糖异构酶催化的是可逆反应。 ⑧0-H H ®-0-C40CH,0H 磷酸己精异构酶 6-酸葡萄糖 6-南酸果糖 3.果糖-6-磷酸磷酸化生成果糖-l,6-二磷酸在磷酸果糖激酶-1(phosphofructokinase-l,PK-l)催化下 由ATP提共硫酸基团.果糖-6-磷酸被再次磷酸化生成果糖-1.6-一砖酸(fructose-1.6-biphosphate.F.1,6-BP) 该酶催化的反应不可逆，是糖酵解中的第二个限速步骤。磷酸果糖激酶】是葡萄糖分解的主要限速酶 ®-0-CH H,0 ATP ADP®-0-H-0- H O 90m 磷酸果精激酶1 6酸果糖 1,6二酸果肺 4.果糖-1,6-二磷酸裂解为2分子磷酸丙糖在醛缩酶(aldolase)作用下，将1,6二磷酸果糖裂解 为磷酸二羟丙酮和3磷酸甘油醛即将双磷酸六碳糖裂解为2分子磷酸丙糖。醛缩酶催化的是可逆反应 且更有利于逆反应，因此称为醛缩酶（或醇醛缩合酶） CH2OPO H =0 CH OPO:H2 CHO HO- 醛缩南 -H =0 CHOH CH:OPO,Ha C-OH 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛 CH2OPO3H2 1,6二辞酸果糖 112