糖在體內(nèi)的代謝概況_生物化學

第二節(jié)　糖在體內(nèi)的代謝概況

糖的分解代謝途徑主要有無氧氧化、有氧氧化及磷酸戊糖途徑。

一、糖的無氧氧化

在機體缺氧（如劇烈運動）時，葡萄糖或糖原分解生成乳酸，并產(chǎn)生能量，這個過程稱為糖的無氧氧化。在這個代謝過程中尤以紅細胞和運動時的骨骼肌較為活躍，因與酵母的生醇發(fā)酵非常相似，故又稱為糖酵解。參與糖酵解反應的一系列酶存在于細胞質(zhì)中，因此糖酵解的全部反應過程均在細胞質(zhì)中進行。

（一）糖酵解的反應過程

糖酵解的反應過程分為三個階段：第一階段是葡萄糖分解生成磷酸丙糖，即己糖碳鏈裂解成2分子磷酸甘油醛并耗能的階段；第二階段是2分子磷酸甘油醛轉(zhuǎn)變成2分子丙酮酸并產(chǎn)能的階段；第三階段是2分子丙酮酸還原生成乳酸的階段。

1．葡萄糖分解生成2分子磷酸甘油醛

（1）葡萄糖磷酸化生成6－磷酸葡萄糖：葡萄糖在己糖激酶催化下，由ATP提供磷酸基和能量，生成6－磷酸葡萄糖。

此反應是不可逆反應，反應過程中消耗ATP。己糖激酶是關鍵酶。所謂關鍵酶是指在代謝途徑中，催化不可逆反應步驟、起著控制代謝途徑運轉(zhuǎn)速度快慢作用的酶，其活性受到變構(gòu)劑和激素的調(diào)節(jié)。

糖原進行糖酵解時，非還原端的葡萄糖單位先進行磷酸分解生成1－磷酸葡萄糖，再經(jīng)磷酸葡萄糖變位酶催化生成6－磷酸葡萄糖，此過程不消耗ATP。

6－磷酸葡萄糖是一個重要的中間代謝產(chǎn)物，是多條糖代謝途徑（糖酵解、有氧氧化、磷酸戊糖途徑，以及糖原合成、糖原分解、糖異生）的連接點。

（2）6－磷酸葡萄糖異構(gòu)為6－磷酸果糖：此反應在磷酸己糖異構(gòu)酶催化下進行，是一個醛－酮異構(gòu)化反應。

（3）6－磷酸果糖磷酸化生成1，6－二磷酸果糖：催化此反應的酶是6－磷酸果糖激酶，這是糖酵解途徑的第二次磷酸化反應，消耗ATP且需Mg^2＋參與，此反應不可逆。6－磷酸果糖激酶是關鍵酶。

（4）1，6－二磷酸果糖裂解生成2分子的磷酸丙糖：此反應由醛縮酶催化，反應可逆。3－磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮互為異構(gòu)體，在磷酸丙糖異構(gòu)酶催化下可互相轉(zhuǎn)變。當3－磷酸甘油醛在繼續(xù)進行反應時，磷酸二羥丙酮可不斷轉(zhuǎn)變?yōu)?－磷酸甘油醛，這樣1分子1，6－二磷酸果糖生成2分子3－磷酸甘油醛。

這一階段的主要特點之一是葡萄糖的磷酸化。磷酸化后的化合物極性增高，不能自由進出細胞膜，因而葡萄糖磷酸化后不易逸出細胞外，反應限制在細胞質(zhì)中進行；另外，結(jié)合了磷酸基團的化合物不僅能降低酶促反應的活化能，同時能提高酶促反應的特異性。

特點之二是伴隨有能量的消耗。若從葡萄糖開始，消耗2分子ATP；若從糖原開始，則消耗1分子ATP。在這一階段中有兩個不可逆反應，分別由兩個關鍵酶己糖激酶和6－磷酸果糖激酶催化，它們是糖酵解途徑運轉(zhuǎn)速度的調(diào)節(jié)點。

2．磷酸甘油醛氧化生成丙酮酸

（1）3－磷酸甘油醛氧化生成1，3－二磷酸甘油酸：在3－磷酸甘油醛脫氫酶的催化下，3－磷酸甘油醛脫氫并磷酸化，同時分子內(nèi)部能量重排，生成含有高能磷酸鍵的1，3－二磷酸甘油酸，輔酶NAD^＋接受反應脫下的氫經(jīng)還原生成NADH＋H^＋。這是糖酵解中唯一的氧化反應。

（2）1，3－二磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變?yōu)?－磷酸甘油酸：1，3－二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶催化下將高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP，自身轉(zhuǎn)變?yōu)?－磷酸甘油酸。這是無氧酵解過程中第一次生成ATP。ATP的產(chǎn)生方式是底物水平磷酸化。此種由底物分子中的高能磷酸鍵直接轉(zhuǎn)移給ADP而生成ATP的方式，稱為底物水平磷酸化。

由于1分子葡萄糖能產(chǎn)生2分子1，3－二磷酸甘油酸，所以在這一過程中，1分子葡萄糖可產(chǎn)生2分子ATP。

（3）3－磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變?yōu)?－磷酸甘油酸：此反應由磷酸甘油酸變位酶催化，磷酸基團由3－位轉(zhuǎn)至2－位。

（4）2－磷酸甘油酸脫水生成磷酸烯醇式丙酮酸：2－磷酸甘油酸經(jīng)烯醇化酶催化進行脫水的同時，分子內(nèi)部的能量重排，生成含有高能磷酸鍵的磷酸烯醇式丙酮酸。

（5）丙酮酸的生成：在丙酮酸激酶催化下，將磷酸烯醇式丙酮酸上的高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP，自身則生成丙酮酸。這是糖酵解途徑中的第二次底物水平磷酸化。此反應不可逆，其中，丙酮酸激酶是關鍵酶。由于1分子葡萄糖產(chǎn)生2分子丙酮酸，所以在這一過程中，1分子葡萄糖可產(chǎn)生2分子ATP。

第二階段的特點是能量的產(chǎn)生。糖酵解過程的能量產(chǎn)生主要在3－磷酸甘油醛脫氫成為1，3－二磷酸甘油酸及磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸岬倪^程中，整個過程共產(chǎn)生4分子ATP，產(chǎn)生方式都是底物水平磷酸化。這一階段中丙酮酸激酶是糖酵解過程的另一個關鍵酶和反應速度調(diào)節(jié)點。

3．丙酮酸還原生成乳酸

當機體缺氧時，在乳酸脫氫酶（LDH）催化下，由3－磷酸甘油醛脫氫反應生成的NADH＋H^＋作為供氫體，將丙酮酸還原生成乳酸。NADH＋H^＋重新轉(zhuǎn)變成NAD＋，糖酵解才能繼續(xù)進行。

在有氧條件下，3－磷酸甘油醛脫氫產(chǎn)生的NADH＋H＋從細胞質(zhì)進入線粒體經(jīng)電子傳遞鏈傳遞生成水，同時釋放出能量（詳見第六章）。

在整個糖酵解的十步酶促反應中，有三步反應是不可逆的，催化這三步反應的酶——己糖激酶、6－磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶是整個糖酵解過程的關鍵酶，調(diào)節(jié)這三個酶的活性可以影響糖酵解的運轉(zhuǎn)速度。糖酵解的全過程如圖7－2所示。

圖7－2　糖酵解的全過程

（二）糖酵解的生理意義

1分子葡萄糖經(jīng)糖酵解凈生成2分子ATP；若從糖原開始，1分子葡萄糖單位凈生成3分子ATP。糖酵解雖然產(chǎn)生的能量不多，但其生理意義特殊。

（1）迅速提供能量：這對肌肉組織尤為重要，肌肉組織中的ATP含量甚微，僅為5～7μmol/g（新鮮組織），肌肉收縮幾秒鐘就可全部耗盡。此時即使不缺氧，葡萄糖進行有氧氧化的過程也比糖酵解長得多，不能及時滿足生理需要；而通過糖酵解則可迅速獲得ATP。

（2）缺氧時的主要供能方式：如在劇烈運動時，肌肉局部血流不足會導致相對缺氧，必須通過糖酵解供能。某些病理情況，如嚴重貧血、大量失血、呼吸障礙、循環(huán)衰竭等，因供氧不足長時間依靠糖酵解供能，可導致乳酸堆積，而引起乳酸中毒。

（3）供氧充足時少數(shù)組織的能量來源：如視網(wǎng)膜、腎髓質(zhì)、皮膚、睪丸等即便供氧充足，仍然依賴糖酵解供能。成熟紅細胞沒有線粒體，完全依靠糖酵解供能。此外，神經(jīng)、白細胞、骨髓等代謝極為活躍，即使不缺氧，也常由糖酵解提供部分能量。

（4）糖酵解是糖有氧氧化的前段過程，其一些中間代謝物是脂類、氨基酸等合成的前體。

二、糖的有氧氧化

糖的有氧氧化是指葡萄糖或糖原在有氧條件下，徹底氧化分解生成CO₂和H₂O及能量的過程。機體絕大多數(shù)組織細胞能進行糖的有氧氧化。這是糖在體內(nèi)氧化分解的主要方式，是機體獲得能量的主要途徑。

（一）有氧氧化的反應過程

糖的有氧氧化分為三個階段：第一階段是葡萄糖或糖原在細胞質(zhì)中通過糖酵解途徑分解生成丙酮酸；第二階段是丙酮酸進入線粒體氧化脫羧生成乙酰CoA；第三階段是乙酰CoA經(jīng)三羧酸循環(huán)徹底氧化生成CO₂、H₂O和ATP。葡萄糖有氧氧化概況如圖7－3所示。

圖7－3　葡萄糖有氧氧化概況

1．丙酮酸的生成

該反應與糖酵解途徑相同，但反應中生成的NADH＋H^＋不參與丙酮酸還原為乳酸的反應，而是經(jīng)呼吸鏈氧化生成水并釋放出能量。

2．乙酰CoA的生成

在細胞液中生成的丙酮酸在缺氧的條件下還原生成乳酸。在有氧的條件下丙酮酸則進入線粒體，然后在丙酮酸脫氫酶復合體的催化下，進行脫氫（氧化）和脫羧（脫去CO₂），并與輔酶A（HSCoA）結(jié)合生成乙酰CoA。整個反應是不可逆的。

丙酮酸脫氫酶復合體是由丙酮酸脫氫酶、二氫硫辛酸轉(zhuǎn)乙?；?、二氫硫辛酸脫氫酶三種酶組成的；該酶復合體需要多種含B族維生素的輔助因子，如TPP（含維生素B₁）、HSCoA（含泛酸）、FAD（含維生素B₂）、NAD^＋（含維生素PP）等。

多酶復合體中三種酶緊密相連，反應依次連鎖迅速完成，催化效率高，使丙酮酸脫羧和脫氫生成乙酰CoA及NADH＋H^＋。

3．三羧酸循環(huán)

由于三羧酸循環(huán)是Krebs于1937年發(fā)現(xiàn)的，故也稱為Krebs循環(huán)。因循環(huán)以乙酰CoA與草酰乙酸縮合生成含有三個羧基的檸檬酸開始，經(jīng)過一系列代謝反應，又生成草酰乙酸，故稱為三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle，TAC）或檸檬酸循環(huán)。

（1）檸檬酸的生成：乙酰CoA與草酰乙酸在檸檬酸合成酶催化下縮合生成檸檬酸。此反應不可逆，檸檬酸合成酶是關鍵酶。

（2）檸檬酸異構(gòu)生成異檸檬酸：在順烏頭酸酶的催化下，檸檬酸先脫水生成順烏頭酸，再加水異構(gòu)成異檸檬酸。

（3）異檸檬酸氧化脫羧生成α－酮戊二酸：此反應在異檸檬酸脫氫酶作用下，異檸檬酸先脫氫再脫羧生成α－酮戊二酸。輔酶是NAD^＋，脫氫生成的NADH＋H^＋經(jīng)線粒體內(nèi)膜上呼吸鏈傳遞生成水，氧化磷酸化生成ATP。這是三羧酸循環(huán)中第一次氧化脫羧。異檸檬酸脫氫酶是三羧酸循環(huán)的關鍵酶，是最主要的調(diào)節(jié)點，此反應不可逆。

（4）α－酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀酰CoA：在α－酮戊二酸脫氫酶復合體催化下，α－酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀酰CoA，脫下的2H由NAD^＋接受生成NADH＋H^＋，氧化產(chǎn)生的能量一部分儲存于琥珀酰CoA的高能硫酯鍵中，所以琥珀酰CoA為高能化合物。此反應不可逆，α－酮戊二酸脫氫酶復合體是關鍵酶。

（5）琥珀酰CoA轉(zhuǎn)變?yōu)殓晁幔虹牾oA受琥珀酸硫激酶催化，將高能鍵轉(zhuǎn)移給GDP生成GTP，自身轉(zhuǎn)變成琥珀酸，這是三羧酸循環(huán)中唯一的底物水平磷酸化步驟。GTP又可將能量轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP。

（6）琥珀酸脫氫生成延胡索酸：在琥珀酸脫氫酶催化下，琥珀酸脫氫生成延胡索酸。FAD是琥珀酸脫氫酶的輔酶，接受脫下的2H生成FADH₂。

（7）延胡索酸加水生成蘋果酸：在延胡索酸酶催化下，延胡索酸加水生成蘋果酸。

（8）蘋果酸脫氫生成草酰乙酸：在蘋果酸脫氫酶作用下，蘋果酸脫氫生成草酰乙酸完成一次循環(huán)。NAD＋是蘋果酸脫氫酶的輔酶，接受氫生成NADH＋H^＋。

三羧酸循環(huán)是乙酰CoA徹底氧化的途徑。1分子乙酰CoA經(jīng)三羧酸循環(huán)共兩次脫羧，生成2分子CO₂，這是體內(nèi)CO₂的主要來源；四次脫氫，生成3分子NADH＋H^＋和1分子FADH₂。NADH＋H^＋和FADH₂分子攜帶的氫經(jīng)線粒體呼吸鏈氧化成水可產(chǎn)生9分子ATP；一次底物水平磷酸化，生成1分子ATP。故1分子乙酰CoA經(jīng)三羧酸循環(huán)徹底氧化共生成10分子ATP。

三羧酸循環(huán)的反應過程如圖7－4所示。

圖7－4　三羧酸循環(huán)

（二）三羧酸循環(huán)的特點

（1）三羧酸循環(huán)是機體主要的產(chǎn)能途徑：1分子乙酰CoA通過三羧酸循環(huán)經(jīng)歷了四次脫氫（三次脫氫生成NADH＋H^＋，一次脫氫生成FADH₂）、兩次脫羧生成CO₂、一次底物水平磷酸化，共生成10分子ATP。

（2）三羧酸循環(huán)中檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶、α－酮戊二酸脫氫酶復合體是關鍵酶，催化的反應不可逆，故三羧酸循環(huán)為不可逆的單向循環(huán)。

（三）糖有氧氧化的生理意義

1．有氧氧化是機體供能的主要方式

1分子葡萄糖經(jīng)有氧氧化生成CO₂和H₂O，能凈生成30或32分子ATP（表7－1）。

表7－1　有氧氧化過程中ATP的生成

注：＊根據(jù)NADH進入線粒體的方式不同，如果是α－磷酸甘油穿梭經(jīng)呼吸鏈只產(chǎn)生1．5×2分子ATP；＊＊1分子葡萄糖可裂解為2分子3－磷酸甘油醛，故×2。

2．三羧酸循環(huán)是體內(nèi)糖、脂肪、蛋白質(zhì)徹底氧化分解的共同途徑

糖、脂肪、蛋白質(zhì)經(jīng)代謝后都能生成乙酰CoA，進入三羧酸循環(huán)徹底氧化，最終產(chǎn)物都是CO₂、H₂O和ATP。

3．三羧酸循環(huán)是糖、脂肪、蛋白質(zhì)代謝聯(lián)系的樞紐

三羧酸循環(huán)不是一個封閉的循環(huán)，而是一個開放的，與體內(nèi)其他代謝途徑相互聯(lián)系、相互交匯的循環(huán)。如循環(huán)的中間產(chǎn)物α－酮戊二酸、丙酮酸及草酰乙酸通過氨基化作用生成谷氨酸、丙氨酸、天冬氨酸，而三種氨基酸又可經(jīng)氨基酸代謝的脫氨基途徑生成相應的α－酮戊二酸、丙酮酸及草酰乙酸，進入三羧酸循環(huán)。

糖代謝的中間產(chǎn)物乙酰CoA是合成脂肪酸的原料，氨基酸代謝的產(chǎn)物α－酮酸也可異生為糖等。

（四）糖有氧氧化與糖酵解的相互調(diào)節(jié)

巴斯德效應（Pastuer effect）是指在有氧的條件下糖有氧氧化能抑制糖酵解。這個效應是Pastuer在研究酵母菌葡萄糖發(fā)酵時發(fā)現(xiàn)的：在無氧的條件下，糖酵解產(chǎn)生的ATP的速度和數(shù)量遠遠大于有氧氧化，是產(chǎn)生ATP的主要方式，但在有氧的條件下，酵母菌的糖酵解作用受到抑制。這種現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在肌肉中：當肌肉組織在供氧充分的情況下，有氧氧化抑制糖酵解，能產(chǎn)生大量能量供肌肉組織活動所需，但在缺氧時，則以糖酵解為主。

在一些代謝旺盛的正常組織和腫瘤細胞中，即使在有氧的條件下，仍然以糖酵解為產(chǎn)生ATP的主要方式，這種現(xiàn)象稱為反巴斯德效應。在具有反巴斯德效應的組織細胞中，其糖酵解酶系（己糖激酶、6－磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶）活性較強，而線粒體中產(chǎn)生ATP的酶系活性較低，氧化磷酸化能力減弱，以糖酵解酶系產(chǎn)生能量為主。

三、磷酸戊糖途徑

磷酸戊糖途徑是葡萄糖氧化分解的另一條重要途徑，它的功能不是產(chǎn)生ATP，而是產(chǎn)生細胞所需的具有重要生理作用的特殊物質(zhì)，如NADPH和5－磷酸核糖。這條途徑存在于肝臟、脂肪組織、甲狀腺、腎上腺皮質(zhì)、性腺、紅細胞等組織中。代謝相關的酶存在于細胞質(zhì)中。

（一）反應過程

磷酸戊糖途徑在細胞質(zhì)中進行。全過程分為兩個階段：第一階段是氧化反應，產(chǎn)生NADPH及5－磷酸核糖；第二階段是非氧化反應，是一系列基團的轉(zhuǎn)移過程。

1．磷酸戊糖的生成

6－磷酸葡萄糖在6－磷酸葡萄糖脫氫酶及6－磷酸葡萄糖酸脫氫酶的催化作用下，經(jīng)兩次脫氫，生成2分子NADPH＋H^＋，一次脫羧生成1分子CO₂，自身則轉(zhuǎn)變成5－磷酸核糖。6－磷酸葡萄糖脫氫酶是此途徑的關鍵酶。

在這一階段中產(chǎn)生了NADPH＋H^＋和5－磷酸核糖這兩個重要的代謝產(chǎn)物。

2．基團轉(zhuǎn)移反應

第一階段生成的5－磷酸核糖是合成核苷酸的原料，部分磷酸核糖通過一系列基團轉(zhuǎn)移反應，轉(zhuǎn)變成6－磷酸果糖和3－磷酸甘油醛。它們可轉(zhuǎn)變?yōu)?－磷酸葡萄糖繼續(xù)進行磷酸戊糖途徑，也可以進入糖的有氧氧化或經(jīng)糖酵解繼續(xù)氧化分解。基本反應過程如圖7－5所示。

圖7－5　磷酸戊糖途徑

（二）生理意義

磷酸戊糖途徑的生理意義不在于供能，它的主要生理功能是提供機體生物合成所需的一些原料。

1．提供5－磷酸核糖

此途徑是葡萄糖在體內(nèi)生成5－磷酸核糖的唯一途徑。5－磷酸核糖是合成核苷酸的原料，核苷酸是核酸的基本組成單位。

2．提供NADPH＋H^＋

NADPH＋H^＋與NADH＋H^＋不同，它攜帶的氫不是通過呼吸鏈氧化磷酸化生成ATP，而是參與許多代謝反應，發(fā)揮不同的作用。

（1）NADPH＋H^＋作為供氫體參與脂肪酸、膽固醇和類固醇激素的生物合成。

（2）NADPH＋H^＋是谷胱甘肽還原酶的輔酶：對維持還原型谷胱甘肽（GSH）的正常含量有很重要的作用。還原型谷胱甘肽是體內(nèi)重要的抗氧化劑，能保護一些含巰基的蛋白質(zhì)和酶類免受氧化劑的破壞。在紅細胞中GSH能去除紅細胞中的H₂O₂，以維護紅細胞膜的完整性。H₂O₂在紅細胞中的積聚，會加快血紅蛋白氧化生成高鐵血紅蛋白的過程，降低紅細胞的壽命；H₂O₂對脂類的氧化會導致紅細胞膜的破壞，造成溶血。遺傳性6－磷酸葡萄糖脫氫酶缺乏的患者，由于其磷酸戊糖途徑不能正常進行，故造成NADPH＋H^＋減少，不能使氧化型谷胱甘肽（GSSG）還原成GSH，造成GSH含量低下，則紅細胞膜易于破裂而發(fā)生溶血性貧血。這類患者常在食用蠶豆后發(fā)病，故又稱為蠶豆病。

（3）NADPH＋H^＋參與肝臟生物轉(zhuǎn)化反應：與激素、藥物、毒物等的生物轉(zhuǎn)化作用有關。

知識鏈接

蠶　豆　病

蠶豆、抗瘧藥、磺胺藥等具有氧化作用，可使機體產(chǎn)生較多的H₂O₂。正常人由于6－磷酸葡萄糖脫氫酶活性正常，食用蠶豆或服用上述藥物時，磷酸戊糖途徑增強，可生成較多的NADPH＋H^＋，導致GSH增加，這樣可及時清除對紅細胞有破壞作用的H₂O₂，而不會出現(xiàn)溶血。對于6－磷酸葡萄糖脫氫酶缺乏者，其磷酸戊糖途徑不能正常進行，故NADPH＋H^＋缺乏或不足，導致GSH生成減少。在正常情況下，由于機體產(chǎn)生的H₂O₂等物質(zhì)不多，因此不會發(fā)病，與正常人無異。但當食用蠶豆或服用某些藥物時，機體產(chǎn)生的H₂O₂增多，不能及時清除，從而破壞紅細胞膜，而誘發(fā)溶血性貧血。