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第四章 糖代谢 一、代谢总论 Metabolism 二、多糖和寡聚糖的酶促降解 三、糖的无氧降解及厌氧发酵 四、葡萄糖的有氧分解代谢
第四章 糖代谢 一、代谢总论 Metabolism 二、多糖和寡聚糖的酶促降解 三、糖的无氧降解及厌氧发酵 四、葡萄糖的有氧分解代谢 五、戊糖磷酸途径phosphopentose pathway PPP 六、糖的合成、糖异生
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一、糖代谢总论 糖代谢包括分解代谢和合成代谢。
动物和大多数微生物所需的能量，主要是由糖的分解代谢提供的。另方面，糖分解的中间产物，又为生物体合成其它类型的生物分子，如氨基酸、核苷酸和脂肪酸等，提供碳源或碳链骨架。 植物和某些藻类能够利用太阳能，将二氧化碳和水合成糖类化合物，即光合作用。光合作用将太阳能转变成化学能（主要是糖类化合物），是自然界规模最大的一种能量转换过程。
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糖与多糖 糖类物质是一类多羟基醛或多羟基酮类化合物或聚合物； 糖类物质可以根据其水解情况分为：单糖、寡糖和多糖；
在生物体内，糖类物质主要以均一多糖、杂多糖、糖蛋白和蛋白聚糖形式存在。
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1.单糖的结构 重要的己糖包括：葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖等。 -D-吡喃葡萄糖 -D-吡喃半乳糖 -D-吡喃甘露糖
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2.寡糖（二糖） 蔗糖 葡萄糖-，（12）果糖苷 O CH2OH HOCH2 1 2 3 4
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乳 糖 麦芽糖 1 4 O CH2OH OH 1 4 2 3 葡萄糖-（14）半乳糖苷
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3. 多糖 (1).淀粉（分为直链淀粉和支链淀粉） 直链淀粉分子量约1万-200万， 个葡萄糖分子，以（14）糖苷键聚合而成。呈螺旋结构，遇碘显紫蓝色。 支链淀粉中除了（14）糖苷键构成糖链以外，在支点处存在（16）糖苷键，分子量较高。遇碘显紫红色。
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(2).纤维素 由葡萄糖以（14）糖苷键连接而成 的直链，不溶于水。 (3).几丁质（壳多糖） N-乙酰-D-葡萄糖胺，以（14）糖苷键缩合而成的线性均一多糖。 (4).杂多糖 糖胺聚糖（粘多糖、氨基多糖等） 透明质酸 硫酸软骨素 硫酸皮肤素 硫酸角质素 肝素
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糖原
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二、多糖和寡聚糖的酶促降解 概述 多糖和寡聚糖只有分解成小分子后才能被吸收利用，生产中常称为糖化。 2. 淀粉 3.淀粉水解
淀粉 糊精 寡糖 麦芽糖 G
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淀粉的酶促水解： 水解淀粉的淀粉酶有α与β淀粉酶， 二者只能水解淀粉中的α-1，4糖苷键，水解产物为麦芽糖。 α-淀粉酶可以水解淀粉(或糖原)中任何部位的α-1，4糖键， β淀粉酶只能从非还原端开始水解。 水解淀粉中的α-1，6糖苷键的酶是α-1，6糖苷键酶 淀粉水解的产物为糊精和麦芽糖的混合物。
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还原末端 非还原末端 α-1，4糖苷键 α-1，6糖苷键
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三、糖的无氧降解及厌氧发酵 (1) EMP途径的生化历程 糖酵解途径(glycolysis)
（Embden Meyerhof Parnas EMP） (1) EMP途径的生化历程
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糖酵解过程 b a 1 2 3 4
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1）第一阶段：葡萄糖 1, 6-二磷酸果糖
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2）第二阶段：1, 6-二磷酸果糖 3-磷酸甘油醛
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3）第三阶段：3-磷酸甘油醛 2-磷酸甘油酸
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4）第四阶段：2-二磷酸甘油酸 丙酮酸
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葡萄糖分解代谢过程中能量的产生 葡萄糖在分解代谢过程中产生的能量有两种形式：直接产生ATP；生成高能分子NADH或FADH2，后者在线粒体呼吸链氧化并产生ATP。 糖酵解：1分子葡萄糖 2分子丙酮酸，共消耗了2个ATP，产生了4 个ATP，实际上净生成了2个ATP，同时产生2个NADH。（2）有氧分解（丙酮酸生成乙酰CoA及三羧酸循环）产生的ATP、NADH和FADH2 丙酮酸氧化脱羧：丙酮酸 乙酰CoA，生成1个NADH。三羧酸循环：乙酰CoA CO2和H2O，产生一个GTP（即ATP）、3个NADH和1个FADH2。
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葡萄糖分解代谢过程中产生的总能量 糖酵解、丙酮酸氧化脱羧及三羧酸循环生成的NADH和FADH2 ，进入线粒体呼吸链氧化并生成ATP。线粒体呼吸链是葡萄糖分解代谢产生ATP的最主要途径。 葡萄糖分解代谢总反应式 C6H6O6 + 6 H2O + 10 NAD+ + 2 FAD + 4 ADP + 4Pi 6 CO NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 4 ATP 按照一个NADH能够产生3个ATP，1个FADH2能够产生2个ATP计算，1分子葡萄糖在分解代谢过程中共产生38个ATP： 4 ATP +（10 3）ATP + （2 2）ATP = 38 ATP
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（2） 总 结 高能化合物与底物水平磷酸化（substrate phosphorglate） 结果：脱氢 活化，产能
（2） 总 结 高能化合物与底物水平磷酸化（substrate phosphorglate） 结果：脱氢 活化，产能 调节控制：磷酸果糖激酶（phosphofructokinase PFK）
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2. 丙酮酸的无氧降解（酵解与厌氧发酵） 乳酸菌（乳杆菌、乳链球菌） G +2ADP+ 2Pi 2乳酸 ＋2ATP+2水
（1） 乳酸发酵（同型乳酸发酵）lactic fermation 动物 乳酸菌（乳杆菌、乳链球菌） G +2ADP+ 2Pi 乳酸 ＋2ATP+2水
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（2）酒精发酵（酵母的第Ⅰ型发酵） alcoholic fermation
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（3）甘油发酵（酵母的第Ⅱ型发酵）
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四、葡萄糖的有氧分解代谢 有氧氧化： 大多数生物的主要代谢途径 EMP pyr TCA 可衍生许多其他物质 pyr脱羧 TCA
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1. 丙酮酸氧化脱羧—乙酰CoA的生成 基本反应：
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这一多酶复合体位于线粒体内膜上，原核细胞则在胞液中。
催化酶： 这一多酶复合体位于线粒体内膜上，原核细胞则在胞液中。 E1-丙酮酸脱羧酶（也叫丙酮酸脱氢酶） E2-二氢硫辛酸乙酰基转移酶 E3-二氢硫锌酰胺脱氢酶。 三种酶 丙酮酸脱氢酶系 焦磷酸硫胺素（TPP)、硫辛酸、 COASH、FAD、NAD+、Mg2+ 六种辅助因子
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2. 乙酰CoA的彻底氧化分解——Tricarboxylic acid cycle TCA
化学反应历程（10步反应、8种酶） 糖酵解有二重作用：一是降解产生ATP，二是产生含碳的中间物为合成反应提供原料。 在酵解过程中有三个不可逆反应，也就是说有三个调控步骤，分别被三个酶多点调节：己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶。己糖激酶可以控制葡萄糖的进入，丙酮酸激酶调节酵解的出口。
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三羧酸循环 乙酰辅酶A 柠檬酸 草酰乙酸 苹果酸 异柠檬酸 延胡索酸 a-酮戊二酸 琥珀酸辅酶A 琥珀酸
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三羧酸循环过程总结(一次循环) 三羧酸循环总反应式 10步反应 8种酶催化 反应类型 生成3分子还原型CoⅠ 生成1分子FADH2
缩合1、脱水1、氧化4、底物水平磷酸化1、水化1 生成3分子还原型CoⅠ 生成1分子FADH2 生成1分子ATP 三羧酸循环总反应式
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三羧酸循环的生物学意义 1.普遍存在 2.生物体获得能量的最有效方式 3.是糖类、蛋白质、脂肪三大物质转化的枢纽
4.获得微生物发酵产品的途径 柠檬酸、谷氨酸
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3. 丙酮酸羧化支路（回补途径） 三羧酸循环不仅是产生ATP的途径，它产生的中间产物也是生物合成的前体。例如卟啉的主要碳原子来自琥珀酰CoA，谷氨酸、天冬氨酸是从α-酮戊二酸、草酰乙酸衍生而成。一旦草酰乙酸浓度下降，势必影响三羧酸循环的进行。
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1.丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下形成草酰乙酸，需要生物素为辅酶。
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2、磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶的催化下形成草酰乙酸。在大脑和心脏中存在这个反应。
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3.天冬氨酸及谷氨酸的转氨作用可以形成草酰乙酸和α-酮戊二酸。异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸也会形成琥珀酰CoA。其反应将在氨基酸代谢中讲述。
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4. 柠檬酸发酵 基本生化途径： 关键： 柠檬酸进一步降解 合成前体原料保证
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五、戊糖磷酸途径phosphopentose pathway PPP
糖酵解和三羧酸循环是机体内糖分解代谢的主要径，但不是唯一途径。实验研究也表明：在组织中添加酵解抑制剂如碘乙酸或氟化物等，葡萄糖仍可以被消耗，这说明葡萄糖还有其它的代谢途径。许多组织细胞中都存在有另一种葡萄糖降解途径，即磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway, PPP），也称为磷酸己糖旁路（hexose monophosphate pathway/shunt,HMP）。参与磷酸戊糖途径的酶类都分布在动物细胞浆中，动物体中约有30%的葡萄糖通过此途径分解。
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1. 磷酸戊糖途径的反应过程
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（1）G-6-P脱氢脱羧转化成5-磷酸核酮糖。
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（2）磷酸戊糖的异构化
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（3）磷酸戊糖通过转酮及转醛反应生成酵解途径的中间产物6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛。
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2. 磷酸戊糖途径的调节 肝脏中的各种戊糖途径的酶中以6-磷酸葡萄糖脱氢酶的活性最低，所以它是戊糖途径的限速酶，催化不可逆反应步骤。其活性受NADP+/NADPH比值的调节，NADPH竞争性抑制6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的活性。机体内NAD+/NADH比NADP+/NADPH的比值要高几个数量级，前者为700，后者为0.014，这使NADHP可以进行有效的反馈抑制调控。只有NADPH在脂肪的生物合成中被消耗时才能解除抑制，再通过6-磷酸葡萄糖脱氢酶产生出NADPH。
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非氧化阶段戊糖的转变主要受控于底物浓度。5-磷酸核糖过多时，可转化成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醇进行酵解。
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六、糖的合成、糖异生 一、糖异生的证据及其生理意义
糖异生是指从非糖物质合成葡萄糖的过程。非糖物质包括丙酮酸、乳酸、生糖氨基酸、甘油等均可以在哺乳动物的肝脏中转变为葡萄糖或糖原。这一过程基本上是糖酵解途径的逆过程，但具体过程并不是完全相同，因为在酵解过程中有三步是不可逆的反应，而在糖异生中要通过其它的旁路途径来绕过这三步不可逆反应，完成糖的异生过程。
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1. 糖异生的证据如下： 用整体动物做实验，禁食24小时，大鼠肝脏中的糖原由7%降低到1%，饲喂乳酸、丙酮酸或三羧酸循环代谢的中间物后可以使大鼠肝糖原增加。 根皮苷是一种从梨树茎皮中提取的有毒的糖苷，它能抑制肾小管将葡萄糖重吸收进入血液中，这样血液中的葡萄糖就不断的由尿中排出。当给用根皮苷处理过的动物饲喂三羧酸循环中间代谢物或生糖氨基酸后，这些动物尿中的糖含量增加。 糖尿病人或切除胰岛的动物，他们从氨基酸转化成糖的过程十分活跃。当摄入生糖氨基酸时，尿中糖含量增加。
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2、糖异生的生理意义 糖异生作用是一个十分重要的生物合成葡萄糖的途径。红细胞和脑是以葡萄糖为主要燃料的，成人每天约需要160克葡萄糖，其中120克用于脑代谢，而糖原的贮存量是很有限的，所以需要糖异生来补充糖的不足。 在饥饿或剧烈运动造成糖原下降后，糖异生能使酵解产生的乳酸、脂肪分解产生的甘油以及生糖氨基酸等中间产物重新生成糖。这对维持血糖浓度，满足组织对糖的需要是十分重要的。 糖异生可以促进脂肪氧化分解供应能量，当体内糖供应不足时，机体会大量动员脂肪分解，此时会产生过多的酮体（乙酰乙酸、β-羟丁酸、丙酮），而酮体则必须经过三羧酸循环才能彻底氧化，此时糖异生对维持三羧酸循环的正常进行起主要作用。
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二、糖异生的途径 糖异生作用的总反应式如下：
2丙酮酸+4ATP+2GTP+2NADH+2H++4H2O → 葡萄糖+2NAD+ +4ADP +2GDP +6Pi
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丙酮酸 + ATP + GTP → 磷酸烯醇式丙酮酸 + ADP + GDP + CO2
1、丙酮酸羧化生成磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 + ATP + GTP → 磷酸烯醇式丙酮酸 + ADP + GDP + CO2 2、磷酸烯醇式丙酮酸沿酵解途径逆向反应生成1,6-二磷酸果糖。这个过程也要逾越一个能障，即从3-磷酸甘油酸转变成1,3-二磷酸甘油酸的过程中需要消耗一个ATP。
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3、1,6-二磷酸果糖转化成6-磷酸果糖。这是糖异生作用中的关键反应，由果糖二磷酸酶催化。该酶是一个别构酶，被其负效应物AMP、2,6-二磷酸果糖强烈抑制，但ATP、柠檬酸和3-磷酸甘油酸可激活此酶的活性。 4、6-磷酸果糖转化为葡萄糖，由葡萄糖-6-磷酸酶催化。该酶只在肝脏中存在，在肌肉或脑组织中没有此酶存在，因此糖异生作用只能在肝脏中进行。
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三、糖异生途径的前体 1、凡是能生成丙酮酸的物质都可以变成葡萄糖。例如三羧酸循环的中间物，柠檬酸、异柠檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸和苹果酸都可以转变成草酰乙酸而进入糖异生途径。 2、大多数氨基酸是生糖氨基酸如丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、甘氨酸、精氨酸、组氨酸、苏氨酸、脯氨酸、谷胺酰胺、天冬酰胺、甲硫氨酸、缬氨酸等，它们可转化成丙酮酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸等三羧酸循环中间物参加糖异生途径。
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3、Cori循环：剧烈运动时产生的大量乳酸会迅速扩散到血液，随血流流至肝脏，先氧化成丙酮酸，再经过糖异生作用转变为葡萄糖，进而补充血糖，也可重新合成肌糖原被贮存起来。这一乳酸——葡萄糖的循环过程称为Cori循环。 4、反刍动物糖异生途径十分活跃，牛胃中的细菌分解纤维素成为乙酸、丙酸、丁酸等奇数脂肪酸可转变成为琥珀酰CoA参加糖异生途径合成葡萄糖。
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本章小结 糖类的概念 淀粉及其酶解（淀粉糊化，酶促水解） 单糖：G、F、半乳糖 双糖：蔗糖，麦芽糖，乳糖 多糖：淀粉（直链 支链），糖原
多糖：淀粉（直链 支链），糖原 α－淀粉酶、β－淀粉酶、葡萄糖淀粉酶
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3. 葡萄糖酵解及厌氧发酵 4. 葡萄糖的有氧代谢 5. 戊糖途径（G-1-P脱氢，NADPH） 6. 糖异生 糖分解综合图解
EMP、乳酸发酵、酒精发酵 丙酮酸脱羧、TCA、四碳回补、柠檬酸与Glu发酵 糖分解综合图解
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