糖代谢 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
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http://www.sina.com.cn 2004/10/09 11:01 双博士丛书 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
糖代谢 考点: 糖酵解的过程、意义及调节; 糖有氧氧化的过程、意义及调节,能量生成的计算; 磷酸戊糖途径的过程、意义; 糖原合成、分解的过程及调节; 糖异生的过程、意义、调节。乳酸循环; 血糖的来源、去路及血糖水平的调节。 重点: 糖代谢各条途径中的限速步骤和关键酶及与能量生成相关的步骤;区分各途径在机体的主要发生组织器官和具体的亚细胞定位;记住其中关键酶的主要调节因素和糖氧化过程能量生成的计算。 基本理论与知识: 一、概述 (一)糖的生理功能 糖的主要生理功能是提供能量,还可提供碳源,参与组成机体组织,组成具有特殊生理功能的糖蛋白。 (二)糖的消化吸收 食物中糖主要在小肠消化,吸收是一个依赖于特定载体转运的,主动耗能的过程,同时伴有Na+的转运。 二、糖的无氧分解 (一)糖酵解的过程和调节 指在缺氧情况下,葡萄糖生成乳酸的过程,全部反应都在胞浆中进行,其基本过程如下(见原书) 由整个过程,可以得出如下结论: 1.反应过程中有三步不可逆反应:A、C、I过程,其他均为可逆反应,故催化这三步反应的酶为整个过程的限速酶,是葡萄糖无氧酵解的三个调节点,因为可逆反应的酶活性改变,并不能决定反应方向,其反应方向由底物\产物浓度控制。 2.1mol葡萄糖无氧酵解,可生成4molATP,但在第A、C步骤中消耗2molATP,故净生成2molATP。糖酵解生成ATP的过程全靠底物水平磷酸化生成,要与后面的氧化磷酸化相区别,前者将底物的高能磷酸基直接转移给ADP生成ATP,而后者ATP的生成伴有电子传递给氧生成H2O的过程。 3最后一步丙酮酸生成乳酸需要的NADH+H+来自于第E步,这是在缺氧条件下,若是在有氧条件下,丙酮酸不变成乳酸,而是进入线粒体进行有氧氧化,这时第E步生成的NADH+H+也要进入线粒体进行氧化磷酸化生成ATP,若经α-磷酸甘油穿梭,生成2molATP,若经苹果酸天冬氨酸穿梭,1molNADH+H+生成3molATP,这也就是1mol葡萄糖有氧氧化可生成38或36molATP的原因。 4第一步中己糖激酶存在于肝细胞中的也称为葡萄糖激酶,其Km值远大于其他几种己糖激酶同工酶,且受激素调控,这些特性使其在糖代谢中起着重要的生理作用。 5要记得催化三步不可逆反应的关键酶:己糖激酶,6-磷酸果糖激酶-1,丙酮酸激酶,两步能量生成的过程是第F、I步,催化这两步的酶是磷酸甘油酸激酶,丙酮酸激酶,机体对糖酵解的调节主要是对三个关键酶的调节,主要调节特点如下:
需要说明的是:①1,6-双磷酸果糖是6-磷酸果糖激酶-1反应产物,这种产物正反馈作用较少见,一般来说,产物皆起抑制作用,而在此是为便利于糖的分解。 ②2,6-双磷酸果糖是6-磷酸果糖激酶-1最强的变构激活剂,可与AMP一起解除ATP柠檬酸的变构抑制作用。 ③2,6-双磷酸果糖也是通过激酶催化6-磷酸果糖生成,胰高血糖素可通过共价修饰使此激酶活性降低,减少2,6-二磷酸果糖的含量,从而抑制糖酵解,升高血糖。 ④葡萄糖激酶不受6-磷酸葡萄糖的影响,因为不存在其变构部位,但胰岛素可通过转录途径促进此酶的合成。 总之,糖酵解是葡萄糖分解供能的一条重要途径,当消耗能量多,细胞内ATP/AMP的比例下降,6-磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶均被激活,加速糖的分解以供能。 (二)糖酵解的生理意义 其最重要的生理意义在于迅速提供能量,这对于肌肉收缩更为重要,肌肉内ATP只要收缩几秒即可耗尽,此时即使不缺氧,葡萄糖有氧氧化反应时间长,来不及满足需要,而通过糖酵解则可迅速获得能量。此外成熟红细胞全靠糖酵解供能,神经细胞、白细胞等不缺氧依赖其提供部分能量。 三、糖的有氧氧化 葡萄糖在有氧条件下,彻底氧化成H2O和CO2的过程即有氧氧化。是葡萄糖分解代谢的主要途径。 (一)过程 分为三个阶段:第一阶段,葡萄糖循糖酵解途径分解成丙酮酸,在胞浆中进行。第二阶段,丙酮酸进入线粒体,氧化脱羧成乙酰CoA,第二阶段,乙酰CoA进行三羧酸循环及氧化磷酸化,反应也在线粒体中进行。 1第一阶段:如糖酵解生成丙酮酸的过程。 2第二阶段:
此过程为不可逆反应,1mol丙酮酸生成1molNADH+H+,酶复合体由丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酰胺转乙酰酶、二氢硫辛酰胺脱氢酶,相应的辅酶分别是TPP、硫辛酸、FAD及NAD+。 3第三阶段:氧化磷酸化以后再讲,三羧酸循环主要过程如下:
从反应过程,有如下结论: ①有三步不可逆反应:1,3,4步,催化这三步的酶分别是柠檬酸合酶,异柠檬酸脱氢酶,α-酮戊二酸脱氢酶复合体,是三羧酸循环的限速酶,也是反应的调节点。 ②有一步底物水平磷酸化,第5步,生成GTP,这也是三羧酸循环中唯一一个直接生成高能磷酸键的反应。 ③1mol乙酰CoA三羧酸循环可生成3molNADH+H+和1molFADH2,而NADH+H+和FADH2需将电子传递给氧时才生成ATP,故循环本身意义主要并不是释放能量,而在于通过4次脱氢,为氧化磷酸化生成ATP提供还原当量。 ④因为草酰乙酸是循环利用,故草酰乙酸连同其他循环中的中间产物只起催化剂作用,本身并无量的变化,虽然其间通过原子置换,生成的CO2并不来自于乙酰CoA,但三羧酸循环一周,实际上氧化了1分子乙酰CoA,这些中间产物不能直接在循环中被氧化成CO2,也不能从乙酰CoA通过循环合成中间产物。 (二)有氧氧化ATP合成的计算。 1分子葡萄糖糖酵解成丙酮酸,生成2分子ATP,2分子NADH+H+( ——>氧化磷酸化生成6分子或4分子ATP),2分子丙酮酸 2分子乙酰CoA,2分子NADH+H+(——> 氧化磷酸化生成6分子ATP),2分子乙酰CoA三羧酸循环:底物水平磷酸化2分子ATP 6分子NADH+H+ ——>氧化磷酸化生成6×3=18分子ATP 2分子FADH2 ——>氧化磷酸化生成2×2=4分子ATP 故一共为2+6或4+6+2+18+4=38或36分子ATP (三)有氧氧化的调节 1糖酵解调节前面已述。 2
氧化磷酸化速度对三羧酸循环起重要作用。若前者能有效进行,NADH+H+、FADH2能及时转化为NAD+、FAD,则会促进三羧酸循环而进行。 3当机体处于饥饿状态时,大量脂肪酸被动员利用,乙酰CoA/CoA和NADH/NAD+比例升高,抑制糖的有氧氧化,大多数器官组织利用脂肪酸供能以确保大脑对葡萄糖的需要。 4细胞消耗ATP时,ATP降低,ADP、AMP含量升高,有氧氧化过程中的多种限速酶均被激活,加速有氧氧化,补充ATP。 5巴斯德效应:指糖的有氧氧化抑制糖酵解的现象。 四、磷酸戊糖途径 葡萄糖通过此途径可代谢生成磷酸核糖、NADPH和CO2,主要意义不是生成ATP (一)反应过程 反应在胞浆进行,分两个阶段,第一阶段是氧化反应。生成磷酸戊糖、NADPH和CO2,第二阶段是非氧化反应。 1第一阶段:磷酸核糖生成 2第二阶段:基团转移反应 因为机体需要的NADPH+H+远远大于磷酸核糖,故剩余的核糖要继续进行此步反应,通过一系列基团转移反应,将核糖转变为6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛而进入糖分解途径。 (二)调节 6-磷酸葡萄糖脱氢酶是磷酸戊糖途径的限速酶,其活性决定6-磷酸葡萄糖进入此途径的流量。其活性的调节主要靠NADPH/NADP+的影响,当比例升高时,磷酸戊糖途径被抑制,比例降低时被激活,如饥饿后重饲,脂肪酸合成需大量NADPH,则此酶含量明显升高,所以磷酸戊糖途径的流量取决于机体对NADPH的要求。 (三)生理意义 1NADPH是供氢体 机体多种生物合成反应,如合成脂肪、胆固醇、鞘磷脂等都需要大量NADPH。 2NADPH参与体内羟化反应 体内羟化反应主要与生物转化有关,激素、药物、毒物在肝的生物转化需要此反应,将这些物质灭活或增加水溶性使其易排出。有些羟化反应与生物合成有关,如从胆固醇合成胆汁酸等。 3NADPH是谷胱甘肽还原酶的辅酶,与谷胱甘肽还原酶一起维持谷胱甘肽的还原状态。还原型谷胱甘肽在体内有重要作用,前已述及。 4为核酸生物合成提供核糖 5 6-磷酸核糖是体内合成嘌呤和嘧啶核苷酸的原料。肌组织内缺乏6-磷酸葡萄糖脱氢酶,不能通过氧化反应生成核糖,靠3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖之间的基团转移反应生成。 五、糖原的合成和分解 (一)糖原的合成 机体摄入的糖只有一小部分转变为糖原贮存,大部分变成脂肪后储存,肌糖原可供肌肉收缩的急需,肝糖原则是血糖的重要来源。其基本过程(见原书)。 (二)糖原的分解 其生理意义就在于当机体需要葡萄糖时它可以迅速被动用以供急需,其中肝糖原可迅速的补充血糖。 磷酸化酶只对a-1,4糖苷键起作用,生成1-磷酸葡萄糖,分支处酶a-1,6糖苷键通过a-1,6-葡萄糖苷酶直接水解成葡萄糖。 注意:由于肌肉内没有葡萄糖-6-磷酸酶,所以肌糖原不能分解成葡萄糖,只有肝和肾可以补充血糖。 (三)糖原合成与分解的调节 糖原合酶、磷酸化酶催化的是不可逆反应,故二者分别是糖原合成和分解的限速酶。它们主要受共价修饰的调节。磷酸化酶经共价修饰磷酸化后有活性,去磷酸化后失活。而糖原合成酶与它正好相反,去磷酸型有活性而磷酸化型则无活性。催化磷酸化的是蛋白激酶,催化去磷酸化的是磷蛋白磷酸酶。磷酸化酶还受葡萄糖的变构抑制。 胰岛素通过共价修饰使磷酸化酶活性降低,抑制糖原分解,促进糖原合成,胰高血糖素正好相反。 肌糖原合成分解主要受肾上腺素调节。 六、糖异生 从非糖物质前体生成葡萄糖的反应称为糖异生。糖异生的主要原料为乳酸、氨基酸和甘油。糖异生主要在肝脏进行,肾皮质也有异生糖的能力,在长期饥饿时,肾糖异生能力大大加强。 (一)过程 糖异生途径基本是糖酵解的逆反应过程,但由于己糖激酶,磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶所催化的反应不可逆,故此三种酶催化的三步反应的逆过程需要另外的酶催化,其余反应则是二条途径共同的。 1从丙酮酸到磷酸烯醇式丙酮酸:乳酸和生糖氨基酸采取不同的途径。 2从1,6-双磷酸果糖到6-磷酸果糖 3从6-磷酸葡萄糖到葡萄糖 有以下几点需要注意: 1.丙酮酸羧化酶辅酶为生物素,因为此羧化酶仅存在于线粒体中,故丙酮酸必须进入线粒反应。 2.羧化后的草酰乙酸不能直接透过线粒体,所以必须转化为天冬氨酸或苹果酸出线粒体。实验表明乳酸经天冬氨酸途径,生糖氨基酸经苹果酸出线粒体进一步反应。 3.在生糖氨基酸途径中草酰乙酸转化为苹果酸所要的NADH+H+来自线粒体内脂肪酸β氧化或三羧酸循环,每一途径实际都消耗了2分子ATP。 (二)调节: 糖异生和糖酵解途径的协调主要靠其中的2个底物循环进行调节,对糖酵解途径主要调节酶的抑制无疑也起了促进糖异生的效力。如促进丙酮酸激酶活性的1,6一二磷酸果糖,可抑制糖异生,胰高血糖素抑制2,6-双磷酸果糖的生成,从而减少1,6-双磷酸果糖,抑制糖酵解,促进糖异生,肝内丙氨酸是主要的糖异生原料,但其可抑制丙酮酸激酶,从而抑制糖异生主要通过对以下几种酶的调节来调控糖异生。 变构激活剂 变构抑制剂 1果糖双磷酸酶-1 2,6-双磷酸果糖、AMP 2丙酮酸羧化酶 乙酰CoA 3磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶:胰高血糖素通过增加此酶的合成,促进糖异生。 (三)生理意义 1糖异生最主要的生理意义是在空腹或饥饿状态下保持血糖浓度的相对稳定,因为饥饿状态下,肝糖原会很快耗尽,此时主要靠糖异生来升高血糖,这对保持脑组织正常功能有重要意义,因为脑不能利用脂肪酸,它主要依赖葡萄糖,至饥饿后期也依赖酮体供能。而红细胞完全靠糖来供能。 2补充肝糖原,尤其在饥饿后进食时,葡萄糖激酶活性决定肝细胞摄取利用葡萄糖的能力,因葡萄糖激酶Km值太高,肝摄取葡萄糖能力低,故饥饿后进食,肝细胞可直接利用丙酮酸等三碳化合物合成糖原,这称为三碳途径。 3调节酸碱平衡,长期饥饿,肾糖异生增强,有利于维持酸碱平衡。 (四)乳酸循环 肌肉收缩是葡萄糖通过酵解生成乳酸(尤其是氧供不足时),肌肉内糖异生活性低,所以乳酸通过血液入肝,在肝内异生成葡萄糖,葡萄糖释放入血后又被肌肉摄取,这就构成了乳酸循环,其生理意义在于避免损失乳酸及防止因乳酸堆 积引起的酸中毒,此循环是耗能过程,2分子乳酸异生成1分子葡萄糖要消耗6分子ATP。 七、血糖及其调节 (一)血糖的来源和去路 机体在严密的调控机制下维持血糖恒定,这也是血糖来源和去路发生平衡的结果,血糖来源为各种渠道生成的葡萄糖释放入血液中,血糖的去路是被 周围组织及肝的摄取利用。 (二)血糖水平的调节 机体血糖水平维持稳定主要靠激素的调节,重要的激素有胰岛素、胰高血糖素、糖皮质激素和肾上腺素,若糖代谢及调节障碍,可发生糖尿病或低血糖。尤其糖尿病是危害人类健康的重要疾病,患者葡萄糖得不到有效利用,可导致机体发生一系列代谢紊乱,造成各种严重的病理状态。 1胰岛素 胰岛素是体内唯一降低血糖的激素,也是唯一同时促进糖原、脂肪、蛋白质合成的激素。血糖升高时,立即引起胰岛素分泌。其降血糖是多方面作用的结果: ①促进葡萄糖转运入细胞,降低血液中糖含量。 ②通过共价修饰使糖原合成酶活性增加,磷酸化酶活性降低,加速糖原合成,抑制糖原分解。 ③激活丙酮酸脱氢酶,加快糖的有氧氧化 ④通过抑制PEP羧激酶的合成以及减少糖异生的原料,抑制糖异生。 ⑤抑制脂肪组织内的脂肪酶,减少脂肪动员,使组织利用葡萄糖增加。 2胰高血糖素是体内主要升高血糖的激素。其升血糖的机制几乎与胰岛素相反: ①抑制糖原合成酶,激活磷酸化酶使糖原分解增加,糖原合成降低。 ②减少2,6-双磷酸果糖的合成,抑制糖酵解,加速糖异生。 ③促进PEP羧激酶的合成,抑制丙酮酸激酶,增强糖异生。 ④通过激活脂肪酶,加速脂肪动员,从而间接升血糖。 3肾上腺素: 肾上腺素是迅速而强有力升高血糖的激素,主要在应激时起作用,对经常性,尤其是进食引起的血糖波动无生理意义。主要是通过加快糖原分解,促进糖异生升高血糖。 4肾上腺皮质醇: 是肾上腺皮质分泌的类固醇激素,主要是糖皮质激素,它能促进肌肉蛋白质分解,增强糖异生,同时抑制肝外组织摄取葡萄糖,从而升高血糖。 |