Metabolism of Carbohydrates

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1 Metabolism of Carbohydrates
第 四 章 糖 代 谢 Metabolism of Carbohydrates

2 根据其水解产物的情况，糖主要可分为以下四大类。
单糖 (monosacchride) 寡糖 (oligosacchride) 多糖 (polysacchride) 结合糖 (glycoconjugate)

3 ① 淀粉 植物中养分的储存形式 淀粉颗粒 目 录

4 ② 糖原 动物体内糖储存形式

5 ③ 纤维素 作为植物的骨架 β-1,4-糖苷键

6 第 一 节 概 述 Introduction

7 一、糖的生理功能 1. 氧化供能 2. 提供合成体内其他物质的原料 3. 作为机体组织细胞的组成成分

8 二、糖的消化与吸收 淀粉 葡萄糖 口腔 唾液中的α-淀粉酶 胃 肠腔 胰液中的α-淀粉酶 麦芽糖+麦芽三糖 （40%） （25%）
α-临界糊精+异麦芽糖 （30%） （5%） 肠粘膜上皮细胞刷状缘 α-葡萄糖苷酶 α-临界糊精酶 葡萄糖

9 (Na+-dependent glucose transporter, SGLT)
刷状缘 细胞内膜 小肠粘膜细胞 门静脉 肠腔 K+ Na+泵 ATP ADP+Pi Na+ G Na+依赖型葡萄糖转运体 (Na+-dependent glucose transporter, SGLT)

10 糖代谢的概况 葡萄糖 糖原 ATP H2O及CO2 核糖 + 丙酮酸 乳酸 淀粉 乳酸、氨基酸、甘油 糖原合成 肝糖原分解 NADPH+H+
有氧 核糖 + NADPH+H+ 磷酸戊糖途径 酵解途径 葡萄糖 丙酮酸 无氧 乳酸 消化与吸收 糖异生途径 淀粉 乳酸、氨基酸、甘油

11 第 二 节 糖的无氧分解 Glycolysis

12 一、定义 在缺氧情况下，葡萄糖生成乳酸(lactate)的过程。 二、细胞定位：胞浆 三、反应过程 第一阶段 G → 丙酮酸 糖酵解途径(glycolytic pathway) 第二阶段 丙酮酸 → 乳酸

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23 (二) 丙酮酸转变成乳酸 乳酸脱氢酶(LDH) NADH + H+ NAD+ 丙酮酸 乳酸 NADH+H+ 的来源？

24 Glu G-6-P F-6-P F-1, 6-2P 1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸 丙 酮 酸 磷酸二羟丙酮
E1 E2 Glu G-6-P F-6-P F-1, 6-2P ATP ADP 1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸 丙 酮 酸 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛 NAD+ NADH+H+ 磷酸烯醇式丙酮酸 E1:己糖激酶 E2: 6-磷酸果糖激酶-1 E3: 丙酮酸激酶 NADH+H+ NAD+ 乳 酸 * 不需氧 * 不可逆反应 * 产能少 * 终产物：乳酸 E3

25 四、糖酵解的调节 ① 己糖激酶 ② 6-磷酸果糖激酶-1 ③ 丙酮酸激酶 关键酶 ① 别构调节 ② 共价修饰调节 调节方式

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27 F-6-P F-2,6-2P + PFK-1 + F-1,6-2P 胰高血糖素 + – ATP PKA Pi ADP –/+ + – +
AMP + 柠檬酸 – 胰高血糖素 PFK-2 （有活性） FBP-2 （无活性） 6-磷酸果糖激酶-2 ATP cAMP Pi ATP ADP 活化 F-6-P F-2,6-2P + PKA 磷蛋白磷酸酶 PFK-2 （无活性） FBP-2 （有活性） P 果糖双磷酸酶-2 Pi ATP –/+ + PFK-1 ADP + 柠檬酸 – AMP + F-1,6-2P

28 （二）丙酮酸激酶 1,6-双磷酸果糖（+）；ATP, 丙氨酸（-） Pi 丙酮酸激酶 丙酮酸激酶 P
磷蛋白磷酸酶 丙酮酸激酶 丙酮酸激酶 P （有活性） （无活性） ATP ADP 胰高血糖素 PKA, CaM激酶 PKA：蛋白激酶A (protein kinase A) CaM：钙调蛋白

29 五、生理意义 1. 在缺氧情况下迅速获能。 2. 是某些特殊细胞在氧供应正常情况下的重要获能途径。

30 第 三 节 糖的有氧氧化 Aerobic Oxidation of Carbohydrate

31 一、 定义 在机体氧供充足时，葡萄糖彻底氧化成H2O和CO2，并释放出能量的过程。 二、细胞定位 胞液及线粒体

32 三、反应过程 G（Gn） 酵解途径 胞液 丙酮酸的氧化脱羧 丙酮酸 乙酰CoA的彻底氧化 乙酰CoA 线粒体 TAC循环 NADH+H+
（三羧酸循环+氧化磷酸化） 线粒体 TAC循环 NADH+H+ FADH2 [O] CO2 H2O ATP ADP

33 （一）丙酮酸的氧化脱羧 辅 酶 二氢硫辛酰胺 TPP 硫辛酸 FAD, NAD+ L S E1：丙酮酸脱氢酶 HSCoA

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35 （二）三羧酸循环 (Tricarboxylic acid Cycle, TAC)
* 定义 乙酰CoA和草酰乙酸缩合生成含三个羧基的柠檬酸，反复的进行脱氢脱羧，又生成草酰乙酸，再重复循环反应的过程。 Krebs循环 / 柠檬酸循环 * 细胞定位 线粒体基质

36 ② ① ② ⑧ ⑦ ③ ⑥ CO2 ④ ⑤ CO2 CoASH CoASH H2O H2O H2O CoASH NADH+H+ NAD+
GDP GTP ATP ADP 核苷二磷酸激酶 NAD+ NADH+H+ ⑦ H2O ③ FADH2 CO2 NAD+ ⑥ FAD GDP+Pi ④ GTP NADH+H+ ⑤ CoASH CO2 CoASH

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39 （三）氧化磷酸化（ATP的生成） 四、糖有氧氧化的生理意义 [O] NADH+H+ H2O、3ATP 呼吸链 [O] FADH2

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41 葡萄糖有氧氧化生成的ATP

42 五、有氧氧化的调节 关键酶 ① 酵解途径：己糖激酶 丙酮酸激酶 6-磷酸果糖激酶-1 ② 丙酮酸的氧化脱羧：丙酮酸脱氢酶复合体
③ 三羧酸循环：柠檬酸合酶 α-酮戊二酸脱氢酶复合体 异柠檬酸脱氢酶

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44 共价修饰调节 目 录

45 六、巴斯德效应 (Pastuer effect)
* 概念 有氧氧化抑制糖酵解的现象 * 机制 有氧和缺氧的情况分析

46 第 四 节 磷酸戊糖途径 Pentose Phosphate Pathway

47 一、概念 由葡萄糖生成磷酸戊糖及NADPH+H+，前者再进一步转变成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖的反应过程。 二、细胞定位：胞 液
三、反应过程 第一阶段：氧化反应 第二阶段：非氧化反应

48 磷酸戊糖途径 第一阶段 第二阶段 6-磷酸葡萄糖(C6)×3 6-磷酸葡萄糖酸内酯(C6)×3 6-磷酸葡萄糖酸(C6)×3
5-磷酸核糖 C5 3NADP+ 3NADP+3H+ 6-磷酸葡萄糖脱氢酶 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶 CO2 磷酸戊糖途径 第一阶段 5-磷酸木酮糖 C5 7-磷酸景天糖 C7 3-磷酸甘油醛 C3 4-磷酸赤藓糖 C4 6-磷酸果糖 C6 第二阶段

49 五、磷酸戊糖途径的生理意义 四、磷酸戊糖途径的调节 代谢物脱下的氢均由NADP+接受生成NADPH + H+ 关键酶： 6-磷酸葡萄糖脱氢酶
受NADPH/NADP+比值的影响 五、磷酸戊糖途径的生理意义

50 Glycogenesis and Glycogenolysis
第 五 节 糖原的合成与分解 Glycogenesis and Glycogenolysis

51 Tangde hecheng

52 糖 原 (glycogen) 动物体内糖的储存形式之一，是机体能迅速动用的能量储备。 糖原储存的主要器官及其生理意义

53 α-1,4-糖苷键 α-1,6-糖苷键

54 一、糖原的合成代谢 （一）定义 由葡萄糖合成糖原的过程 （二）合成部位 器官定位：肝脏、肌肉 细胞定位：胞浆

55 （三）糖原合成途径 1. 葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 2. 6-磷酸葡萄糖转变成1-磷酸葡萄糖 1-磷酸葡萄糖
1. 葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖 ATP ADP 己糖激酶; 葡萄糖激酶（肝） 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 2. 6-磷酸葡萄糖转变成1-磷酸葡萄糖 1-磷酸葡萄糖 磷酸葡萄糖变位酶 6-磷酸葡萄糖

56 + 3. 1- 磷酸葡萄糖转变成尿苷二磷酸葡萄糖 UTP 2Pi+能量 * UDPG：“活性葡萄糖” 尿苷 UDPG焦磷酸化酶 PPi
磷酸葡萄糖转变成尿苷二磷酸葡萄糖 1- 磷酸葡萄糖 + UTP 尿苷 P 尿苷二磷酸葡萄糖 ( uridine diphosphate glucose , UDPG ) PPi UDPG焦磷酸化酶 2Pi+能量 * UDPG：“活性葡萄糖”

57 4. α-1,4-糖苷键式结合 糖原n + UDPG 糖原n+1 + UDP 糖原合酶 ( glycogen synthase ) UDP
4. α-1,4-糖苷键式结合 糖原n + UDPG 糖原n+1 + UDP 糖原合酶 ( glycogen synthase ) UDP UTP ADP ATP 核苷二磷酸激酶

58 糖原n + UDPG 糖原合酶 糖原n+1 + UDP
(glycogen synthase) 糖原n+1 + UDP 糖原n ：糖原引物 (primer)

59 （四）糖原分枝的形成 分 支 酶 (branching enzyme) α-1,4-糖苷键 α-1,6-糖苷键

60 二、糖原的分解代谢 (glycogenolysis )
* 定义 习惯上指肝糖原分解成为葡萄糖的过程 * 细胞定位：胞 浆 * 肝糖原的分解 1. 糖原的磷酸解 糖原n+1 糖原n + 1-磷酸葡萄糖 磷酸化酶

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62 3. 1-磷酸葡萄糖转变成6-磷酸葡萄糖 1-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 4. 6-磷酸葡萄糖水解生成葡萄糖 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 肌
磷酸葡萄糖转变成6-磷酸葡萄糖 1-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 磷酸葡萄糖变位酶 磷酸葡萄糖水解生成葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸酶 （肝，肾） 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 肌 酵解途径

63 糖原的合成与分解总图 糖原合酶 磷酸化酶 G-1-P UTP UDPG PPi 糖原n+1 UDP G-6-P G 糖原n Pi 糖原n
磷酸葡萄糖变位酶 己糖(葡萄糖)激酶 糖原n Pi 磷酸化酶 葡萄糖-6-磷酸酶（肝） 糖原n

64 三、糖原合成与分解的调节 关键酶 ① 糖原合成：糖原合酶 ② 糖原分解：糖原磷酸化酶

65 – 腺苷环化酶 （无活性） 腺苷环化酶（有活性） 激素（胰高血糖素、肾上腺素等）+ 受体 ATP cAMP PKA Pi 磷酸化酶b激酶
激素（胰高血糖素、肾上腺素等）+ 受体 ATP cAMP PKA (无活性) Pi 磷蛋白磷酸酶-1 磷酸化酶b激酶 PKA (有活性) 磷酸化酶b激酶-P – 磷蛋白磷酸酶抑制剂-P 糖原合酶 糖原合酶-P 磷酸化酶b 磷酸化酶a-P PKA（有活性） 磷蛋白磷酸酶抑制剂

66 * 葡萄糖（-）磷酸化酶 磷酸化酶 a (R) [疏松型] 磷酸化酶 a (T) [紧密型] 葡萄糖 糖原合酶 磷酸化酶a-P 磷酸化酶b AMP ATP及6-磷酸葡萄糖 ♁  双向调控 双重调节

67 第 六 节 糖 异 生 Gluconeogenesis

68 * 概念 从非糖化合物转变为葡萄糖或糖原的过程。 * 器官定位：肝、肾 细胞定位：胞浆及线粒体 * 原料 主要有乳酸、甘油、生糖氨基酸

69 一、糖异生途径 (gluconeogenic pathway)
* 定义 丙酮酸生成葡萄糖的具体反应过程 * 过程 糖异生途径与糖酵解途径大多数反应是共有的、可逆的

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71 1. 丙酮酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP) 丙酮酸 草酰乙酸 PEP
ATP ADP+Pi CO2 ① GTP GDP CO2 ② 丙酮酸 草酰乙酸 PEP ① 丙酮酸羧化酶(pyruvate carboxylase)，辅酶为生物素（线粒体） ② 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（线粒体 / 胞液）

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73 糖异生途径中，1,3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油醛时，需要NADH+H+

74 2. 1,6-双磷酸果糖 转变为 6-磷酸果糖 3. 6-磷酸葡萄糖水解为葡萄糖 1,6-双磷酸果糖 6-磷酸果糖 果糖双磷酸酶
Pi 果糖双磷酸酶 3. 6-磷酸葡萄糖水解为葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 葡萄糖 Pi 葡萄糖-6-磷酸酶

75 二、糖异生的调节 底物循环 1,6-双磷酸果糖 6-磷酸果糖 6-磷酸葡萄糖 葡萄糖 草酰乙酸 丙酮酸 PEP 6-磷酸果糖激酶-1
果糖双磷酸酶-1 ADP ATP Pi 底物循环 (substratecycle) 6-磷酸葡萄糖 葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸酶 己糖激酶 ATP ADP Pi PEP 丙酮酸 草酰乙酸 丙酮酸激酶 丙酮酸羧化酶 ADP ATP CO2+ATP ADP+Pi GTP 磷酸烯醇式丙酮酸 羧激酶 GDP+Pi +CO2

76 1. 6-磷酸果糖与1,6-双磷酸果糖之间 6-磷酸果糖 Pi ATP AMP ADP 1,6-双磷酸果糖 2,6-双磷酸果糖
1. 6-磷酸果糖与1,6-双磷酸果糖之间 6-磷酸果糖 Pi ATP 2,6-双磷酸果糖 AMP 果糖双磷 酸酶-1 6-磷酸果糖激酶-1 ADP 1,6-双磷酸果糖

77 2. 磷酸烯醇式丙酮酸与丙酮酸之间 PEP ADP 1,6-双磷酸果糖 丙氨酸 丙酮酸激酶 草酰乙酸 ATP 丙 酮 酸 乙 酰 CoA

78 三、糖异生的生理意义 （一）维持血糖浓度恒定 （二）补充肝糖原 （三）调节酸碱平衡

79 乳酸循环(lactose cycle) ———（Cori 循环） 肝 肌肉 血液 葡萄糖 葡萄糖 葡萄糖 糖异生途径 酵解途径 丙酮酸
NAD+ NADH NADH NAD+ 乳酸 乳酸 乳酸 血液

80 第 七 节 血 糖 Blood Glucose

81 血糖 一、血糖来源和去路 食 物 糖 CO2 + H2O 肝糖原 肝（肌）糖原 其它糖 非糖物质 脂肪、氨基酸 氧化分解 消化，吸收 分解
糖原合成 肝（肌）糖原 磷酸戊糖途径等 其它糖 非糖物质 糖异生 脂类、氨基酸合成代谢 脂肪、氨基酸 血液中的葡萄糖浓度 ：3.89~6.11mmol/L

82 二、血糖水平的调节 * 主要依靠激素的调节 降低血糖：胰岛素(insulin) 主要调节激素
升高血糖：胰高血糖素(glucagon)、糖皮质激素、肾上腺素

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84 正常人体内存在一套精细的调节糖代谢的机制，在一次性食入大量葡萄糖后，血糖水平不会出现大的波动和持续升高。
*葡萄糖耐量(glucose tolerence) 指人体对摄入的葡萄糖具有很大的耐受能力的现象。

85 糖耐量试验(glucose tolerance test, GTT)
临床上用来诊断病人有无糖代谢异常

86 三、血糖水平异常 （一）高血糖 (hyperglycemia) (二）低血糖 (hypoglycemia)
空腹血糖浓度高于7.22~7.78mmol/L 肾糖阈 (二）低血糖 (hypoglycemia) 空腹血糖浓度低于3.33~3.89mmol/L