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公卫助理医师《生物化学》糖代谢知识

Answer 1

2017年公卫助理医师《生物化学》糖代谢知识

　　糖代谢是人体的代谢活动之一。糖代谢也是公卫执业助理医师考试生物化学科目的知识点之一。下面是我为大家带来的关于糖代谢的知识，欢迎阅读。

　　一、糖类的结构与功能

　　1.糖类的结构

　　糖定义为多羟基醛、酮及其缩聚物和某些衍生物。有单糖、寡糖、多糖和复合糖类。

　　2.糖的生理功能

　　1摩尔的葡萄糖完全氧化为CO2和H2O可释放2840kJ(679kcal)的能量，其中约40%转移至ATP，供机体生理活动能量之需。

　　一、糖的分解特点和途径

　　1.糖的分解在有氧和无氧下均可进行,无氧分解不彻底，有氧分解是其继续,最终分解产物是CO2、H2O和能量。

　　2.糖的分解先要活化，无氧下的分解以磷酸化方式活化;有氧下，以酰基化为主。

　　3.在动物和人体内，糖的分解途径主要有3条：糖酵解(葡萄糖→丙酮酸→乳酸);柠檬酸循环(丙酮酸→乙酰辅酶A→CO2+H2O);戊糖磷酸途径(葡萄糖→核糖-5-磷酸→CO2+H2O)。

　　二、糖酵解

　　(一)概念和部位

　　糖酵解(glycolysis)是无氧条件下，葡萄糖降解成丙酮酸并有ATP生成的过程。它是生物细胞普遍存在的代谢途径，涉及十个酶催化反应，均在胞液。

　　(二)反应过程和关键酶

　　1.己糖激酶(hexokinase)催化葡萄糖生成G-6-P，消耗一分子ATP。

　　己糖激酶(HK)分布较广，而葡萄糖激酶(GK)只存在于肝脏，这是第一个关键酶催化的耗能的限速反应。若从糖原开始，由磷酸化酶和脱支酶催化生成G-1-P，再经变位酶转成G-6-P。

　　2.G-6-P异构酶催化G-6-P转化为F-6-P。

　　3.磷酸果糖激酶(PFK-Ⅰ)催化F-6-P磷酸化生成F-1，6-DP，消耗一分子ATP。这是第二个关键酶催化的最主要的耗能的限速反应。

　　4.醛缩酶裂解F-1，6-DP为磷酸二羟丙酮和甘油醛-3-磷酸。平衡有利于逆反应方向，但在生理条件下甘油醛-3-磷酸不断转化成丙酮酸，驱动反应向裂解方向进行。

　　5.丙糖磷酸异构酶催化甘油醛-3-磷酸和磷酸二羟丙酮的相互转换。

　　6.甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化甘油醛-3-磷酸氧化为1，3 -二磷酸甘油酸。这是酵解中唯一的一步氧化反应，是由一个酶催化的脱氢和磷酸化两个相关反应。反应中一分子NAD+被还原成NADH，同时在 1，3-二磷酸甘油酸中形成一个高能酸酐键，为在下一步酵解反应中使ADP变成ATP。

　　7.磷酸甘油酸激酶催化1，3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸。反应(6)和反应(7)联合作用，将一个醛氧化为一个羧酸的反应与ADP磷酸化生成ATP偶联。这种通过一高能化合物将磷酰基转移ADP形成ATP的过程称为底物水平磷酸化。底物水平磷酸化不需氧，是酵解中形成ATP的机制。

　　8.磷酸甘油酸变位酶催化3-磷酸甘油酸转化为2-磷酸甘油酸

　　9.烯醇化酶催化2-磷酸甘油酸生成磷酸烯醇式丙酮酸(PFP)。PFP具有很高的磷酰基转移潜能，其磷酰基是以一种不稳定的烯醇式互变异构形式存在的。

　　10.丙酮酸激酶催化PFP生成丙酮酸和ATP。这是第三个关键酶催化的限速反应。也是第二次底物水平磷酸化反应。

　　糖酵解是生物界普遍存在的供能途径，其生理意义是为机体在无氧或缺氧条件下(应激状态)提供能量满足生理需要。例如，剧烈运动时，肌肉内ATP大量消耗，糖酵解加速可迅速得到ATP;成熟的红细胞没有线粒体，完全靠糖酵解供能。

　　(四)糖酵解的调控

　　糖酵解三个主要调控部位，分别是己糖激酶、果糖磷酸激酶(PFK)和丙酮酸激酶催化的反应。

　　HK被G-6-P变构抑制，这种抑制导致G-6-P的积累，酵解作用减弱。但G-6-P可转化为糖原及戊糖磷酸，因此HK不是最关键的限速酶。

　　PFK被ATP变构抑制，但这种抑制作用被AMP逆转，这使糖酵解对细胞能量需要得以应答。当ATP供应短缺(和AMP充足)时，加快速度，生成更多的ATP， ATP足够时就减慢速度。柠檬酸可增加ATP对酶的抑制作用;F-2，6-DP可消除ATP对酶的抑制效应，使酶活化。PFK被H+抑制，可防止肌乳酸过量导致的血液酸中毒。

　　丙酮酸激酶被F-1，6-DP活化，加速酵解。ATP、丙氨酸变构抑制此酶。

　　三、糖的有氧分解

　　(一)概念和部位

　　葡萄糖的有氧分解是从葡萄糖到丙酮酸经三羧酸循环(TCA)，彻底氧化生成CO2、H2O和释放大量能量的过程。是在细胞的胞液和线粒体两个部位进行的。

　　(二)反应过程和关键酶

　　整个过程可分为三个阶段：

　　第一阶段是葡萄糖分解为丙酮酸，在胞液进行。与酵解反应过程所不同的是3- 磷酸甘油醛脱氢生成的NADH进入线粒体氧化。

　　第二阶段是丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA。

　　丙酮酸脱氢酶系是由3种酶和5种辅助因子组成的多酶复合体，是关键酶。整个过程中无游离的'中间产物，是个不可逆的连续过程。

　　第三阶段是柠檬酸循环。此循环有8步酶促反应：

　　1.柠檬酸合成酶催化乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸和CoASH。是第一个关键酶催化的限速反应。

　　2.顺乌头酸酶催化柠檬酸异构成异柠檬酸。

　　3.异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶的催化下生成草酰琥珀酸，再脱羧生成α-酮戊二酸。此步是第一次氧化脱羧，异柠檬酸脱氢酶是第二个关键酶。

　　4.α- 酮戊二酸由α- 酮戊二酸脱氢酶系催化氧化脱羧生成琥珀酰CoA。此酶系由3种酶和5种辅助因子组成，是第三个关键酶催化的第二次氧化脱羧。

　　5.琥珀酰CoA在琥珀酰硫激酶催化下生成琥珀酸。这是循环中惟一的一次底物水平磷酸化，GDP磷酸化形成GTP。

　　6.琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下氧化为延胡索酸。这是第三步脱氢，生成FADH2。

　　7.延胡索酸在延胡索酸酶作用下水化形成苹果酸。

　　8.苹果酸在苹果酸脱氢酶催化下氧化为草酰乙酸。这是第四步脱氢，生成NADH+H+

　　一次三羧酸循环过程，可归结为一次底物水平磷酸化，二次脱羧，三个关键酶促反应，四步脱氢氧化反应。每循环一次产生12分子ATP，总反应：

　　乙酰CoA+2H2O+3NAD+ +FAD+ADP+Pi→2CO2+3NADH+3H++FADH2+CoASH+ATP

　　(三)能量的估算和生理意义

　　在体外，1mol 葡萄糖→CO2+H2O，ΔGO'= -2840kJ/mol。

　　体内总反应：葡萄糖+6O2+36/38ADP+36/38Pi→6CO2+42/44H2O+36/38ATP

　　第一阶段生成6或8分子ATP，即 1分子葡萄糖生成2分子丙酮酸、2分子ATP、2分子NADH+H+(1分子NADH+H+在胞液转运到线粒体氧化，经不同的转运方式，可生成2或3分子ATP)。

　　第二阶段是6ATP，即 2分子丙酮酸氧化脱羧生成2分子乙酰CoA与2分子NADH+H+ ，后者经电子传递链生成6ATP。

　　第三阶段是24ATP，即 2分子乙酰CoA经三羧酸循环生成2×12 = 24ATP。

　　葡萄糖有氧氧化的获能效率 = 38×30.5/2840×100% = 40%

　　糖的有氧氧化生理意义：①为机体提供更多的能量，是机体利用糖和其他物质氧化而获得能量的最有效方式。②三羧酸循环是糖、脂、蛋白质三大营养物质最终代谢通路和转化的枢纽。糖转变成脂是最重要的例子。③三羧酸循环在提供某些物质生物合成的前体中起重要作用。

　　(四)三羧酸循环的调控

　　三羧酸循环在细胞代谢中占据中心位置，受到严密的调控。丙酮酸脱氢酶复合物催化的反应是进入三羧酸循环的必经之路，可通过变构效应和共价修饰两种方式进行快速调节，乙酰CoA及 NADH+H+ 对酶有反馈抑制作用。

　　三羧酸循环中3个不可逆反应是调节部位。关键酶的活性受ATP、柠檬酸、NADH的反馈抑制;异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶是主要的调节点，ADP是异柠檬酸脱氢酶的变构激活剂。

　　四、戊糖磷酸途径

　　(一)概念和部位

　　葡萄糖经G-6-P生成磷酸戊糖、NADPH及CO2的过程。因从G-6-P开始，又称己糖磷酸支路(HMS)。在胞液中进行。

　　实验证明碘乙酸能抑制甘油醛-3-磷酸脱氢酶，使酵解和有氧氧化途径均停止，但糖的分解仍可进行，在肝脏、脂肪、乳腺、肾上腺皮质和骨髓等组织，该途径是活跃的。

　　(二)反应过程

　　1.氧化阶段

　　从G-6-P开始，经过脱氢、脱羧反应生成5-磷酸核酮糖、2分子NADPH+H+及1分子CO2。

　　G-6-P脱氢酶的活性决定G-6-P进入代谢途径的流量，为限速酶。NADPH/NADP+比例升高。反应受抑制;反之，被激活。

　　2.非氧化阶段

　　总反应式：6G-6-P+12NADP++7H2O → 5G-6-P+12NADPH+12H++6CO2+Pi

　　(三)生理意义

　　两个重要的功能。一是提供NADPH用于需要还原力的生物合成反应。二是提供5-磷酸核糖，用于核苷酸和核酸的生物合成。

　　一、蔗糖和淀粉的合成

　　(一)蔗糖的合成

　　蔗糖在植物界分布最广，不仅是重要的光合作用产物和高等植物的主要成份，又是糖在植物体中运输的主要形式。

　　(二)淀粉的合成

　　淀粉在叶绿体子座中产生并在子座中以淀粉颗粒储存。

　　二、糖原的合成

　　葡萄糖等单糖合成糖原的过程称为糖原的合成。糖原合成是在糖原分子(引物约4-6个葡萄糖残基)基础上经酶系作用逐个加上葡萄糖，并形成分支。UDPG是葡萄糖的活性形式，是参与合成反应的葡萄糖的活性供体。

　　1.UDP-葡萄糖焦磷酸化酶催化UTP和G-1-P合成UDP-G和焦磷酸，焦磷酸立即被焦磷酸酶水解，释放能量。反应基本上不可逆。

　　2.糖原合成酶催化形成α-1，4-糖苷键，即把UDP-G的糖残基转移到糖原分子非还原端的C4-OH基上。此酶是关键酶。

　　3.分支酶催化α-1，6-糖苷键连接，形成分支。通常分支酶断裂含7个葡萄糖残基的一段糖链，将其转移到糖原分子更内部的位点。

　　总反应式： Gn+G+2ATP →Gn+1+2ADP+2Pi

　　糖原合成与分解是由不同酶催化的逆向反应，属于不同的途径，有利于调节。糖原合成酶和糖原磷酸化酶是两个过程的关键酶。其活性均受磷酸化和去磷酸化的共价修饰调节，磷酸化的方式相似，但效果不同，糖原合成酶磷酸化后失活，去磷酸化后有活性，而糖原磷酸化酶磷酸化后活性变强。两种酶的磷酸化受相应的激酶催化，并通过上一级酶的调节及激素调控使整个调节过程精细化。

　　三、糖异生作用

　　(一)概念和部位

　　非糖物质(如甘油、丙酮酸、乳酸和生糖氨基酸等)转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖异生作用。这是体内单糖生物合成的惟一途径。

　　肝脏是糖异生的主要器官，长期饥饿时，肾脏的糖异生作用增强。糖异生中许多反应是糖酵解的逆向过程，在胞液和线粒体内发生。

　　(二)反应过程

　　糖异生并非是糖酵解的逆转，己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶催化的三个高放能反应不可逆，构成“能障”，需要消耗能量走另外途径，或由其它的酶催化来克服不可逆反应带来的“能障”。

　　1.丙酮酸羧化支路：丙酮酸羧化酶催化丙酮酸羧基化生成草酰乙酸，再经磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化脱羧基和磷酸化形成磷酸烯醇式丙酮酸。

　　丙酮酸羧化酶仅存在线粒体中，胞液中的丙酮酸必须进入线粒体，才能羧化为草酰乙酸，此步消耗1分子ATP，草酰乙酸不能直接透过线粒体膜，转化成苹果酸或天冬氨酸才转运回胞液。PEP羧激酶在线粒体和胞液都有，此步消耗1分子GTP。PEP经一系列酶催化生成F-1，6-BP，其反应需用1分子ATP和1分子NADH。

　　2.果糖二磷酸酶催化F-1，6-BP水解为F-6-P。

　　3.G-6-P酶催化G-6-P水解为葡萄糖。

　　总反应式：2丙酮酸+4ATP+2GTP+2NADH+2H++6H2O →葡萄糖+4ADP+2GDP+6Pi+2NAD+

　　糖异生等于用了4分子ATP克服由2分子丙酮酸形成2分子高能磷酸烯醇式丙酮酸的能障，用了2分子ATP进行磷酸甘油激酶催化反应的可逆反应。这比酵解净生成的ATP多用了4分子ATP。

　　(三)生理意义

　　1.补充血糖，可保持其浓度的相对恒定。在饥饿或剧烈运动时对保持血糖水平是重要的，在脑和红细胞，几乎完全依靠血糖作为能量的来源。

　　2.回收乳酸能量，防止乳酸中毒。剧烈运动时，肌糖原酵解产生大量乳酸，部分由尿排出，但大部分经血液运到肝脏，通过糖异生作用合成肝糖原和葡萄糖，以补充血糖，再被肌肉利用，形成乳酸循环。所以糖异生途径对乳酸的再利用、肝糖原的更新、补充肌肉消耗的糖及防止乳酸中毒都有一定的意义。

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