葡萄糖在人体发生的主要反映

【专家解说】：第五章 糖代谢 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。另一方面，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。 第一节 糖的酶水解 1.二糖在酶作用下，能水解成单糖。主要的二糖酶为蔗糖酶、半乳糖酶和麦芽糖酶。这三种酶广泛存在于人及动物的小肠液和微生物中。 蔗糖酶:它的作用是将蔗糖水解成D-葡萄糖和D-果糖。 半乳糖酶:它能将半乳糖水解为D-葡萄糖和D-半乳糖。 麦芽糖酶:其作用是将麦芽糖水解成D-葡萄糖。 2.淀粉的酶水解 淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成。 直链淀粉是由a-D-葡萄糖分子通过a-1,4-糖苷键连接而成的链状化合物。 支链淀粉是由多个直链淀粉通过1,6-糖苷键连接而成的树枝状多糖。能够水解淀粉的酶称为淀粉水解酶 淀粉水解酶: a-淀粉酶:它是一种内切酶，以随机方式水解a-1,4-糖苷键，能将淀粉切断成分子量较小的糊精。 b-淀粉酶:它是仅作用于链的末端单位。它从链的非还原性末端开始，每次切下两个葡萄糖单位-麦芽糖。 葡萄糖淀粉酶:它是一种外切酶，能够将淀粉链端基葡萄糖水解下来。最终可以将淀粉完全水解成葡萄糖。 a-1,6-糖苷酶:是一种能水解a-1,6-糖苷键的淀粉酶。 3.纤维素的酶水解 纤维素是由b-D-葡萄糖通过b-1, 4-糖苷键连接而成的长链大分子。纤维素酶能特异性地水解b-1, 4-糖苷键，最终将纤维素水解成葡萄糖。 人和动物的消化系统中不能分泌出纤维素酶，所以不能直接利用纤维素作为食物。反刍动物(牛，羊等)的消化道中含有某些微生物，这些微生物能分泌出纤维素酶，因此反刍动物能利用纤维素作为食物。 第二节 葡萄糖的分解代谢 葡萄糖进入细胞后，在一系列酶的催化下，发生分解代谢过程。葡萄糖的分解代谢有三条途径无氧氧化、有氧氧化、磷酸戊糖途径。 一:糖的无氧酵解: (一)糖的无氧酵解是指葡萄糖在无氧条件下分解生成乳酸并释放出能量的过程。其全部反应过程在胞液中进行，代谢的终产物为乳酸，一分子葡萄糖经无氧酵解可净生成两分子ATP。 糖的无氧酵解代谢过程可分为四个阶段: 1. 活化(己糖磷酸酯的生成):葡萄糖经磷酸化和异构反应生成1,6-双磷酸果糖(FBP)，即葡萄糖→6-磷酸葡萄糖→6-磷酸果糖→1,6-双磷酸果糖(F-1,6-BP)。这一阶段需消耗两分子ATP，己糖激酶(肝中为葡萄糖激酶)和6-磷酸果糖激酶-1是关键酶。 2. 裂解(磷酸丙糖的生成):一分子F-1,6-BP裂解为两分子3-磷酸甘油醛，包括两步反应:F-1,6-BP→磷酸二羟丙酮 + 3-磷酸甘油醛 和磷酸二羟丙酮→3-磷酸甘油醛。 3. 放能(丙酮酸的生成):3-磷酸甘油醛经脱氢、磷酸化、脱水及放能等反应生成丙酮酸，包括五步反应:3-磷酸甘油醛→1,3-二磷酸甘油酸→3-磷酸甘油酸→2-磷酸甘油酸→磷酸烯醇式丙酮酸→丙酮酸。此阶段有两次底物水平磷酸化的放能反应，共可生成2×2=4分子ATP。丙酮酸激酶为关键酶。 4.还原(乳酸的生成):利用丙酮酸接受酵解代谢过程中产生的NADH，使NADH重新氧化为NAD+。即丙酮酸→乳酸。 (二)糖无氧酵解的调节: 主要是对三个关键酶，即己糖激酶(葡萄糖激酶)、6-磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶进行调节。己糖激酶的变构抑制剂是G-6-P;肝中的葡萄糖激酶是调节肝细胞对葡萄糖吸收的主要因素，受长链脂酰CoA的反馈抑制;6-磷酸果糖激酶-1是调节糖酵解代谢途径流量的主要因素，受ATP和柠檬酸的变构抑制，AMP、ADP、1,6-双磷酸果糖和2,6-双磷酸果糖的变构激活;丙酮酸激酶受1,6-双磷酸果糖的变构激活，受ATP的变构抑制，肝中还受到丙氨酸的变构抑制。 (三)糖无氧酵解的生理意义: 1. 在无氧和缺氧条件下，作为糖分解供能的补充途径:⑴ 骨骼肌在剧烈运动时的相对缺氧;⑵ 从平原进入高原初期;⑶ 严重贫血、大量失血、呼吸障碍、肺及心血管疾患所致缺氧。 二:有氧氧化: 葡萄糖通过糖酵解产生的丙酮酸，在有氧条件下，将进入三羧酸循环进行完全氧化，生成H2O 和CO2，并释放出大量能量。由于分子氧是此系列反应的最终受氢体，所以又称为有氧分解。绝大多数组织细胞通过糖的有氧氧化途径获得能量。此代谢过程在细胞胞液和线粒体内进行，一分子葡萄糖彻底氧化分解可产生36/38分子ATP。 糖的有氧氧化代谢途径可分为三个阶段: 葡萄糖 ?? 丙酮酸??乙酰COA ?? H2O 和CO2 第一阶段:糖酵解 葡萄糖 ?? 丙酮酸 第二 阶段:丙酮酸的氧化脱羧(丙酮酸 ?? 乙酰辅酶A，简写为乙酰CoA) 第三阶段:三羧酸循环(乙酰CoA ?? H2O 和CO2，释放出能量) 1.葡萄糖经酵解途径生成丙酮酸: 此阶段在细胞胞液中进行，与糖的无氧酵解途径相同，涉及的关键酶也相同。一分子葡萄糖分解后生成两分子丙酮酸，两分子(NADH+H+)并净生成2分子ATP。NADH在有氧条件下可进入线粒体产能，共可得到2×2或2×3分子ATP。故第一阶段可净生成6/8分子ATP。 2 丙酮酸的氧化脱羧 丙酮酸氧化脱羧反应是连接糖酵解和三羧酸循环的中间环节。此反应在真核细胞的线粒体基质中进行。 丙酮酸在丙酮酸脱氢酶系催化下，脱羧形成乙酰CoA。丙酮酸脱氢酶系是一个非常复杂的多酶体系，主要包括:三种不同的酶(丙酮酸脱羧酶(E1)、二氢硫辛酸乙酰转移酶(E2)和二氢硫辛酸脱氢酶(E3))，和6种辅因子(TTP、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA和Mg2+)。 3 三羧酸循环:三羧酸循环是指在线粒体中，乙酰CoA首先与草酰乙酸缩合生成柠檬酸，然后经过一系列的代谢反应，乙酰基被氧化分解，而草酰乙酸再生的循环反应过程。这一循环反应过程又称为柠檬酸循环或Krebs循环。 在有氧条件下，糖酵解生成的丙酮酸进入线粒体，丙酮酸氧化脱羧的产物乙酰CoA与草酰乙酸(三羧酸循环中与乙酰CoA结合点)结合生成柠檬酸进入循环。在循环过程中，乙酰CoA被氧化成 H2O 和CO2，并释放出大量能量。由于此氧化过程是通过柠檬酸等几种三元羧酸的循环反应来完成的，通常称为三羧酸循环或柠檬酸循环。三羧酸循环在线粒体中进行(有氧条件) 三羧酸循环由八步反应构成:草酰乙酸 + 乙酰CoA→柠檬酸→异柠檬酸→α-酮戊二酸→琥珀酰CoA→琥珀酸→延胡索酸→苹果酸→草酰乙酸。 三羧酸循环的特点:①循环反应在线粒体中进行，为不可逆反应。 ②每完成一次循环，氧化分解掉一分子乙酰基，可生成12分子ATP。 ③循环的中间产物既不能通过此循环反应生成，也不被此循环反应所消耗。 ④循环中有两次脱羧反应，生成两分子CO2。 ⑤循环中有四次脱氢反应，生成三分子NADH和一分子FADH2。 ⑥循环中有一次直接产能反应，生成一分子GTP。 ⑦三羧酸循环的关键酶是柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶系，且α-酮戊二酸脱氢酶系的结构与丙酮酸脱氢酶系相似，辅助因子完全相同。 (二)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 ?? H2O 和CO2，产生一个GTP(即ATP)、3个NADH和1个FADH2。 葡萄糖分解代谢过程中产生的总能量 葡萄糖分解代谢总反应式 C6H6O6 + 6 H2O + 10 NAD+ + 2 FAD + 4 ADP + 4Pi ?? 6 CO2 + 10 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 (三)有氧氧化的生理意义: 1.是糖在体内分解供能的主要途径:⑴ 生成的ATP数目远远多于糖的无氧酵解生成的ATP数目;⑵ 机体内大多数组织细胞均通过此途径氧化供能。 2.是糖、脂、蛋白质氧化供能的共同途径:糖、脂、蛋白质的分解产物主要经此途径彻底氧化分解供能。 3.是糖、脂、蛋白质相互转变的枢纽:有氧氧化途径中的中间代谢物可以由糖、脂、蛋白质分解产生，某些中间代谢物也可以由此途径逆行而相互转变。 三:磷酸己糖旁路(HMS:Hexose Monophosphate Shunt)或磷酸戊糖途径:单糖的无氧氧化和有氧氧化是细胞内主要的糖分解途径，但不是仅有的，将上述两种途径阻塞后(用酶抑制剂)，糖的氧化照样进行。由此发现了单糖的另一种分解代谢方式HMS，地点:胞奖。 磷酸戊糖途径是指从G-6-P脱氢反应开始，经一系列代谢反应生成磷酸戊糖等中间代谢物，然后再重新进入糖氧化分解代谢途径的一条旁路代谢途径。该旁路途径的起始物是G-6-P，返回的代谢产物是3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖，其重要的中间代谢产物是5-磷酸核糖和NADPH。整个代谢途径在胞液中进行。关键酶是6-磷酸葡萄糖脱氢酶。 全过程可分为两个阶段:氧化阶段和非氧化阶段，特点如下; (一) 物质代谢:第一、第二步为氧化反应(脱氢)，产生能量物质，其他各步均为异构和移换反应，没有能量变化。 (二) 能量代谢:3分子的G-6-P产生6分子的NADPH+H+和1分子3-P-甘油醛，同时又返回2分子的G-6-P，也就是1分子的G-6-P产生6分子的NADPH+H+和1分子3-P-甘油醛。那么2分子的G-6-P产生12分子的NADPH+H+和2分子3-P-甘油醛，其中2分子3-P-甘油醛可以通过EMP的逆过程变成G-6-P，这样，1分子的G-6-P净产生12分子的NADPH+H+(它的穿梭总是免费的)，合36分子的ATP。1分子的葡萄糖就可以产生35分子的ATP。 (三) 生理意义: 1. 是体内生成NADPH的主要代谢途径:NADPH在体内可用于:⑴ 作为供氢体，参与体内的合成代谢:如参与合成脂肪酸、胆固醇等。⑵ 参与羟化反应:作为加单氧酶的辅酶，参与对代谢物的羟化。⑶ 维持巯基酶的活性。⑷ 使氧化型谷胱甘肽还原。⑸ 维持红细胞膜的完整性:由于6-磷酸葡萄糖脱氢酶遗传性缺陷可导致蚕豆病，表现为溶血性贫血。 2. 是体内生成5-磷酸核糖的唯一代谢途径:体内合成核苷酸和核酸所需的核糖或脱氧核糖均以5-磷酸核糖的形式提供，其生成方式可以由G-6-P脱氢脱羧生成，也可以由3-磷酸甘油醛和F-6-P经基团转移的逆反应生成。