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2022年公衛(wèi)助理醫(yī)師《生物化學(xué)》糖代謝知識

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2022年公衛(wèi)助理醫(yī)師《生物化學(xué)》糖代謝知識

　　公衛(wèi)助理醫(yī)師《生物化學(xué)》糖代謝知識點篇1

　　一、糖類的結(jié)構(gòu)與功能

　　1.糖類的結(jié)構(gòu)

　　糖定義為多羥基醛、酮及其縮聚物和某些衍生物。有單糖、寡糖、多糖和復(fù)合糖類。

　　2.糖的生理功能

　　1摩爾的葡萄糖完全氧化為CO2和H2O可釋放2840kJ(679kcal)的能量，其中約40%轉(zhuǎn)移至ATP，供機體生理活動能量之需。

　　一、糖的分解特點和途徑

　　1.糖的分解在有氧和無氧下均可進(jìn)行,無氧分解不徹底，有氧分解是其繼續(xù),最終分解產(chǎn)物是CO2、H2O和能量。

　　2.糖的分解先要活化，無氧下的分解以磷酸化方式活化;有氧下，以�；癁橹�。

　　3.在動物和人體內(nèi)，糖的分解途徑主要有3條：糖酵解(葡萄糖→丙酮酸→乳酸);檸檬酸循環(huán)(丙酮酸→乙酰輔酶A→CO2+H2O);戊糖磷酸途徑(葡萄糖→核糖-5-磷酸→CO2+H2O)。

　　二、糖酵解

　　(一)概念和部位

　　糖酵解(glycolysis)是無氧條件下，葡萄糖降解成丙酮酸并有ATP生成的過程。它是生物細(xì)胞普遍存在的代謝途徑，涉及十個酶催化反應(yīng)，均在胞液。

　　(二)反應(yīng)過程和關(guān)鍵酶

　　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)分布較廣，而葡萄糖激酶(GK)只存在于肝臟，這是第一個關(guān)鍵酶催化的耗能的限速反應(yīng)。若從糖原開始，由磷酸化酶和脫支酶催化生成G-1-P，再經(jīng)變位酶轉(zhuǎn)成G-6-P。

　　2.G-6-P異構(gòu)酶催化G-6-P轉(zhuǎn)化為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。這是第二個關(guān)鍵酶催化的最主要的耗能的限速反應(yīng)。

　　4.醛縮酶裂解F-1，6-DP為磷酸二羥丙酮和甘油醛-3-磷酸。平衡有利于逆反應(yīng)方向，但在生理條件下甘油醛-3-磷酸不斷轉(zhuǎn)化成丙酮酸，驅(qū)動反應(yīng)向裂解方向進(jìn)行。

　　5.丙糖磷酸異構(gòu)酶催化甘油醛-3-磷酸和磷酸二羥丙酮的相互轉(zhuǎn)換。

　　6.甘油醛-3-磷酸脫氫酶催化甘油醛-3-磷酸氧化為1，3 -二磷酸甘油酸。這是酵解中唯一的一步氧化反應(yīng)，是由一個酶催化的脫氫和磷酸化兩個相關(guān)反應(yīng)。反應(yīng)中一分子NAD+被還原成NADH，同時在 1，3-二磷酸甘油酸中形成一個高能酸酐鍵，為在下一步酵解反應(yīng)中使ADP變成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。反應(yīng)(6)和反應(yīng)(7)聯(lián)合作用，將一個醛氧化為一個羧酸的反應(yīng)與ADP磷酸化生成ATP偶聯(lián)。這種通過一高能化合物將磷�；D(zhuǎn)移ADP形成ATP的過程稱為底物水平磷酸化。底物水平磷酸化不需氧，是酵解中形成ATP的機制。

　　8.磷酸甘油酸變位酶催化3-磷酸甘油酸轉(zhuǎn)化為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�；D(zhuǎn)移潛能，其磷�；且砸环N不穩(wěn)定的烯醇式互變異構(gòu)形式存在的。

　　10.丙酮酸激酶催化PFP生成丙酮酸和ATP。這是第三個關(guān)鍵酶催化的限速反應(yīng)。也是第二次底物水平磷酸化反應(yīng)。

　　糖酵解是生物界普遍存在的供能途徑，其生理意義是為機體在無氧或缺氧條件下(應(yīng)激狀態(tài))提供能量滿足生理需要。例如，劇烈運動時，肌肉內(nèi)ATP大量消耗，糖酵解加速可迅速得到ATP;成熟的紅細(xì)胞沒有線粒體，完全靠糖酵解供能。

　　(四)糖酵解的調(diào)控

　　糖酵解三個主要調(diào)控部位，分別是己糖激酶、果糖磷酸激酶(PFK)和丙酮酸激酶催化的反應(yīng)。

　　HK被G-6-P變構(gòu)抑制，這種抑制導(dǎo)致G-6-P的積累，酵解作用減弱。但G-6-P可轉(zhuǎn)化為糖原及戊糖磷酸，因此HK不是最關(guān)鍵的限速酶。

　　PFK被ATP變構(gòu)抑制，但這種抑制作用被AMP逆轉(zhuǎn)，這使糖酵解對細(xì)胞能量需要得以應(yīng)答。當(dāng)ATP供應(yīng)短缺(和AMP充足)時，加快速度，生成更多的ATP， ATP足夠時就減慢速度。檸檬酸可增加ATP對酶的抑制作用;F-2，6-DP可消除ATP對酶的抑制效應(yīng)，使酶活化。PFK被H+抑制，可防止肌乳酸過量導(dǎo)致的血液酸中毒。

　　丙酮酸激酶被F-1，6-DP活化，加速酵解。ATP、丙氨酸變構(gòu)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從葡萄糖到丙酮酸經(jīng)三羧酸循環(huán)(TCA)，徹底氧化生成CO2、H2O和釋放大量能量的過程。是在細(xì)胞的胞液和線粒體兩個部位進(jìn)行的。

　　(二)反應(yīng)過程和關(guān)鍵酶

　　整個過程可分為三個階段：

　　第一階段是葡萄糖分解為丙酮酸，在胞液進(jìn)行。與酵解反應(yīng)過程所不同的是3- 磷酸甘油醛脫氫生成的NADH進(jìn)入線粒體氧化。

　　第二階段是丙酮酸進(jìn)入線粒體氧化脫羧生成乙酰CoA。

　　丙酮酸脫氫酶系是由3種酶和5種輔助因子組成的多酶復(fù)合體，是關(guān)鍵酶。整個過程中無游離的中間產(chǎn)物，是個不可逆的連續(xù)過程。

　　第三階段是檸檬酸循環(huán)。此循環(huán)有8步酶促反應(yīng)：

　　1.檸檬酸合成酶催化乙酰CoA與草酰乙酸縮合成檸檬酸和CoASH。是第一個關(guān)鍵酶催化的限速反應(yīng)。

　　2.順烏頭酸酶催化檸檬酸異構(gòu)成異檸檬酸。

　　3.異檸檬酸在異檸檬酸脫氫酶的催化下生成草酰琥珀酸，再脫羧生成α-酮戊二酸。此步是第一次氧化脫羧，異檸檬酸脫氫酶是第二個關(guān)鍵酶。

　　4.α- 酮戊二酸由α- 酮戊二酸脫氫酶系催化氧化脫羧生成琥珀酰CoA。此酶系由3種酶和5種輔助因子組成，是第三個關(guān)鍵酶催化的第二次氧化脫羧。

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

　　6.琥珀酸在琥珀酸脫氫酶催化下氧化為延胡索酸。這是第三步脫氫，生成FADH2。

　　7.延胡索酸在延胡索酸酶作用下水化形成蘋果酸。

　　8.蘋果酸在蘋果酸脫氫酶催化下氧化為草酰乙酸。這是第四步脫氫，生成NADH+H+

　　一次三羧酸循環(huán)過程，可歸結(jié)為一次底物水平磷酸化，二次脫羧，三個關(guān)鍵酶促反應(yīng)，四步脫氫氧化反應(yīng)。每循環(huán)一次產(chǎn)生12分子ATP，總反應(yīng)：

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

　　(三)能量的估算和生理意義

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

　　體內(nèi)總反應(yīng)：葡萄糖+6O2+36/38ADP+36/38Pi→6CO2+42/44H2O+36/38ATP

　　第一階段生成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+在胞液轉(zhuǎn)運到線粒體氧化，經(jīng)不同的轉(zhuǎn)運方式，可生成2或3分子ATP)。

　　第二階段是6ATP，即 2分子丙酮酸氧化脫羧生成2分子乙酰CoA與2分子NADH+H+ ，后者經(jīng)電子傳遞鏈生成6ATP。

　　第三階段是24ATP，即 2分子乙酰CoA經(jīng)三羧酸循環(huán)生成2×12 = 24ATP。

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

　　糖的有氧氧化生理意義：

　　①為機體提供更多的能量，是機體利用糖和其他物質(zhì)氧化而獲得能量的最有效方式。

　�、谌人嵫h(huán)是糖、脂、蛋白質(zhì)三大營養(yǎng)物質(zhì)最終代謝通路和轉(zhuǎn)化的樞紐。糖轉(zhuǎn)變成脂是最重要的例子。

　�、廴人嵫h(huán)在提供某些物質(zhì)生物合成的前體中起重要作用。

　　(四)三羧酸循環(huán)的調(diào)控

　　三羧酸循環(huán)在細(xì)胞代謝中占據(jù)中心位置，受到嚴(yán)密的調(diào)控。丙酮酸脫氫酶復(fù)合物催化的'反應(yīng)是進(jìn)入三羧酸循環(huán)的必經(jīng)之路，可通過變構(gòu)效應(yīng)和共價修飾兩種方式進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，乙酰CoA及 NADH+H+ 對酶有反饋抑制作用。

　　三羧酸循環(huán)中3個不可逆反應(yīng)是調(diào)節(jié)部位。關(guān)鍵酶的活性受ATP、檸檬酸、NADH的反饋抑制;異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶是主要的調(diào)節(jié)點，ADP是異檸檬酸脫氫酶的變構(gòu)激活劑。

　　四、戊糖磷酸途徑

　　(一)概念和部位

　　葡萄糖經(jīng)G-6-P生成磷酸戊糖、NADPH及CO2的過程。因從G-6-P開始，又稱己糖磷酸支路(HMS)。在胞液中進(jìn)行。

　　實驗證明碘乙酸能抑制甘油醛-3-磷酸脫氫酶，使酵解和有氧氧化途徑均停止，但糖的分解仍可進(jìn)行，在肝臟、脂肪、乳腺、腎上腺皮質(zhì)和骨髓等組織，該途徑是活躍的。

　　(二)反應(yīng)過程

　　1.氧化階段

　　從G-6-P開始，經(jīng)過脫氫、脫羧反應(yīng)生成5-磷酸核酮糖、2分子NADPH+H+及1分子CO2。

　　G-6-P脫氫酶的活性決定G-6-P進(jìn)入代謝途徑的流量，為限速酶。NADPH/NADP+比例升高。反應(yīng)受抑制;反之，被激活。

　　2.非氧化階段

　　總反應(yīng)式：6G-6-P+12NADP++7H2O → 5G-6-P+12NADPH+12H++6CO2+Pi

　　(三)生理意義

　　兩個重要的功能。一是提供NADPH用于需要還原力的生物合成反應(yīng)。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廣，不僅是重要的光合作用產(chǎn)物和高等植物的主要成份，又是糖在植物體中運輸?shù)闹饕问健?/p>

　　(二)淀粉的合成

　　淀粉在葉綠體子座中產(chǎn)生并在子座中以淀粉顆粒儲存。

　　二、糖原的合成

　　葡萄糖等單糖合成糖原的過程稱為糖原的合成。糖原合成是在糖原分子(引物約4-6個葡萄糖殘基)基礎(chǔ)上經(jīng)酶系作用逐個加上葡萄糖，并形成分支。UDPG是葡萄糖的活性形式，是參與合成反應(yīng)的葡萄糖的活性供體。

　　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，釋放能量。反應(yīng)基本上不可逆。

　　2.糖原合成酶催化形成α-1，4-糖苷鍵，即把UDP-G的糖殘基轉(zhuǎn)移到糖原分子非還原端的C4-OH基上。此酶是關(guān)鍵酶。

　　3.分支酶催化α-1，6-糖苷鍵連接，形成分支。通常分支酶斷裂含7個葡萄糖殘基的一段糖鏈，將其轉(zhuǎn)移到糖原分子更內(nèi)部的位點。

　　總反應(yīng)式： Gn+G+2ATP →Gn+1+2ADP+2Pi

　　糖原合成與分解是由不同酶催化的逆向反應(yīng)，屬于不同的途徑，有利于調(diào)節(jié)。糖原合成酶和糖原磷酸化酶是兩個過程的關(guān)鍵酶。其活性均受磷酸化和去磷酸化的共價修飾調(diào)節(jié)，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變強。兩種酶的磷酸化受相應(yīng)的激酶催化，并通過上一級酶的調(diào)節(jié)及激素調(diào)控使整個調(diào)節(jié)過程精細(xì)化。

　　三、糖異生作用

　　(一)概念和部位

　　非糖物質(zhì)(如甘油、丙酮酸、乳酸和生糖氨基酸等)轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟腔蛱窃倪^程稱為糖異生作用。這是體內(nèi)單糖生物合成的惟一途徑。

　　肝臟是糖異生的主要器官，長期饑餓時，腎臟的糖異生作用增強。糖異生中許多反應(yīng)是糖酵解的逆向過程，在胞液和線粒體內(nèi)發(fā)生。

　　(二)反應(yīng)過程

　　糖異生并非是糖酵解的逆轉(zhuǎn)，己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶催化的三個高放能反應(yīng)不可逆，構(gòu)成“能障”，需要消耗能量走另外途徑，或由其它的酶催化來克服不可逆反應(yīng)帶來的“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，再經(jīng)磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化脫羧基和磷酸化形成磷酸烯醇式丙酮酸。

　　丙酮酸羧化酶僅存在線粒體中，胞液中的丙酮酸必須進(jìn)入線粒體，才能羧化為草酰乙酸，此步消耗1分子ATP，草酰乙酸不能直接透過線粒體膜，轉(zhuǎn)化成蘋果酸或天冬氨酸才轉(zhuǎn)運回胞液。PEP羧激酶在線粒體和胞液都有，此步消耗1分子GTP。PEP經(jīng)一系列酶催化生成F-1，6-BP，其反應(yīng)需用1分子ATP和1分子NADH。

　　2.果糖二磷酸酶催化F-1，6-BP水解為F-6-P。

　　3.G-6-P酶催化G-6-P水解為葡萄糖。

　　總反應(yīng)式：2丙酮酸+4ATP+2GTP+2NADH+2H++6H2O →葡萄糖+4ADP+2GDP+6Pi+2NAD+

　　糖異生等于用了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進(jìn)行磷酸甘油激酶催化反應(yīng)的可逆反應(yīng)。這比酵解凈生成的ATP多用了4分子ATP。

　　(三)生理意義

　　1.補充血糖，可保持其濃度的相對恒定。在饑餓或劇烈運動時對保持血糖水平是重要的，在腦和紅細(xì)胞，幾乎完全依靠血糖作為能量的來源。

　　2.回收乳酸能量，防止乳酸中毒。劇烈運動時，肌糖原酵解產(chǎn)生大量乳酸，部分由尿排出，但大部分經(jīng)血液運到肝臟，通過糖異生作用合成肝糖原和葡萄糖，以補充血糖，再被肌肉利用，形成乳酸循環(huán)。所以糖異生途徑對乳酸的再利用、肝糖原的更新、補充肌肉消耗的糖及防止乳酸中毒都有一定的意義。