本章重點介紹作為生物體的主要能源共給者糖的代謝。

糖代謝主要是指葡萄糖在體內的一系列復雜的化學反應,。它在不同類型細胞中的代謝途徑有所不同,，其分解代謝方式還在很大程度上受氧供應狀況的影響。在缺氧時,，葡萄糖進行糖酵解生成乳酸,；在供氧充足時，葡萄糖進行有氧氧化生成CO₂和H₂O,；此外,，葡萄糖也可進食磷酸戊糖途徑等進行代謝，以發(fā)揮不同的生理作用,。當進食糖類食物后,，葡萄糖經合成代謝聚合成糖原，儲存于肝或肌組織,；空腹或饑餓時,，肝糖原分解為葡萄糖進入血液，以維持血糖濃度,。有些非糖物質如乳酸,、丙氨酸等還可經糖異生途徑轉變成葡萄糖或糖原。以下將介紹糖的主要代謝途徑,、生理意義及其調控機制,。

人類食物中的糖有淀粉,、糖原、蔗糖,、乳糖,、麥芽糖、葡萄糖,、果糖及纖維素等 ,。纖維素不被消化，但纖維素能促進腸管蠕動 ,，其余的糖被消化道中水解酶類分解為單糖后才被吸收

唾液中含有唾液淀粉酶 ，胃液中不含水解糖類的酶類,，小腸是糖消化的主要場所,，腸液中有胰腺分泌的胰淀粉酶。

二,、糖的吸收

消化所生成的單糖主要在小腸上段被吸收擴散入血,，循門靜脈入肝，并輸送到全身各組織器官中利用,。 目前認為單糖至少有兩種吸收轉運系統(tǒng)：

1）Na⁺―單糖共轉運系統(tǒng),，依賴鈉泵并消耗ATP，對葡萄糖和半乳糖有高特異性,；

2）不依賴Na⁺ 的單糖轉運系統(tǒng),，對果糖有高特異性。兩種吸收轉運系統(tǒng)都有特異性載體蛋白參與,。

食物中的糖是機體中糖的主要來源,，被人體攝入經消化成單糖吸收后，經血液運輸到各組織細胞進行合成代謝和分解代謝,。機體內糖的代謝途徑主要有葡萄糖的無氧酵解,、有氧氧化、磷酸戊糖途徑,、糖原合成與糖原分解,、糖異生以及其他己糖代謝等。

（一）糖代謝途徑

1,、糖的無氧酵解途徑——糖酵解途徑

是在無氧情況下,，葡萄糖分解生成乳酸的過程。它是體內糖代謝最重要的途徑,。

糖酵解途徑包括三個階段：

第一：引發(fā)階段,。葡萄糖的磷酸化、異構化,。

 是第二個不可逆的磷酸化反應,，酵解過程關鍵步驟之二,，是葡萄糖氧化過程中最重要的調節(jié)點。

第二：裂解階段,。

第三：氧化還原階段,。能量的釋放和保留階段。

為不可逆反應,，酵解過程關鍵步驟之三

1分子的葡萄糖通過無氧酵解可凈生成  2個  三磷酸腺苷（ATP）,，這一過程全部在胞漿中完成。

 生理意義：①是機體在缺氧或無氧狀態(tài)下獲得能量的有效措施,。

②機體在應激狀態(tài)下產生能量,，滿足機體生理需要的重要途徑。

③糖酵解的某些中間產物是脂類,、氨基酸等合成的前體,，并與其他代謝途徑相聯系。

依賴于糖酵解獲得能量的組織細胞有：紅細胞,、視網膜,、角膜、晶狀體,、睪丸,、腎髓質等。

葡萄糖在有氧條件下徹底氧化成水和二氧化碳的反應過程稱為糖的有氧氧化（aerobic oxidation）,。有氧氧化是糖氧化的主要方式,，絕大多數細胞都通過它獲得能量。肌肉等進行糖酵解生成的乳酸,，最終仍需在有氧時徹底氧化成水和二氧化碳,。

絕大多數組織細胞通過糖的有氧氧化途徑獲得能量。此代謝過程在細胞胞液和線粒體(cytoplasm and mitochondrion)內進行,。

一分子葡萄糖(glucose)徹底氧化分解可產生36/38分子ATP,。

一、糖的有氧氧化的反應過程

糖的有氧氧化分三個階段進行,。第一階段：葡萄糖分解生成丙酮酸,，在細胞液中進行。第二階段：丙酮酸進入線粒體氧化脫羧,，生成乙酰CoA,。第三階段：三羧酸循環(huán)及氧化磷酸化，在線粒體內進行,。

圖5-3 有氧氧化反應過程

（一）葡萄糖分解生成丙酮酸 

此階段的反應步驟與糖無氧氧化途徑基本相同,。在有氧條件下，1分子葡萄糖分解生成2分子丙酮酸,。所不同的是,，3-磷酸甘油醛脫下的氫并不用于丙酮酸還原生成乳酸,，而是交給NAD+，生成NADH+H+,，再經線粒體內電子傳遞鏈的作用,，與氧結合生成水，釋放能量,，使ADP磷酸化生成ATP,。這種生成ATP的方式，稱為氧化磷酸化,。

（二）丙酮酸氧化脫羧生成乙酰輔酶A 

丙酮酸在胞液中生成以后,，經線粒體內膜上特異載體轉運到線粒體內，在丙酮酸脫氫酶復合體（又叫丙酮酸脫氫酶系）催化下進行氧化脫羧,，并與輔酶A結合成乙酰輔酶A,，反應不可逆。其總反應式為：

丙酮酸脫氫酶復合體由三種酶蛋白和五種輔助因組成,，丙酮酸脫氫酶復合體存在于線粒體中，是由丙酮酸脫氫酶,、二氫硫辛酰胺轉乙酰酶,、二氫硫辛酰脫氫酶按一定比例組合成的多酶體系，其組合比例隨生物體不同而異,。該復合體催化丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA,，參與反應的輔酶有硫胺素焦磷酸酯（TPP）、硫辛酸,、FAD,、NAD+及CoA。

反應過程如下,。  

圖5-4 丙酮酸脫氫酶復合體的催化作用

（三）三羧酸循環(huán)

三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle,，TAC）是以乙酰輔酶A的乙酰基與草酰乙酸縮合為檸檬酸開始,，經過若干反應步驟,，最后又以草酰乙酸的再生為結束的連續(xù)酶促反應過程。因為這個反應過程的第一個產物是含有三個羧基的檸檬酸,，故稱為三羧酸循環(huán),，也叫做檸檬酸循環(huán)。又因為這個循環(huán)學說是由Krebs于1937年首先提出,，故又叫做Krebs循環(huán),。反應位點：線粒體。

三羧酸循環(huán)的反應過程如圖5-5：

圖5-5 三羚循環(huán)反應過程

二,、有氧氧化的生理意義

（一）三羧酸循環(huán)是三大營養(yǎng)物質的最終代謝通路

糖,、脂肪,、氨基酸在體內進行生物氧化都將產生乙酰CoA，然后進入三羧酸循環(huán)進入三羧酸循環(huán)被降解成為CO2和H2O,，并釋放能量滿足機體需要,。

（二） 三羧酸循環(huán)也是糖、脂肪,、氨基酸代謝聯系的樞紐

由葡萄糖分解產生的乙酰CoA可以用來合成脂酸和膽固醇,；許多生糖氨基酸都必須先轉變?yōu)槿人嵫h(huán)的中間物質后，再經蘋果酸或草酰乙酸異生為糖,。三羧酸循環(huán)的中間產物還可轉變?yōu)槎喾N重要物質,，如琥珀酰輔酶A可用于合成血紅素；α-酮戊二酸,、草酰乙酸可用于合成谷氨酸,、天冬氨酸，這些非必需氨基酸參與蛋白質的生物合成,。

圖5-6 三羧酸循環(huán)是物質代謝的樞紐

（三）三羧酸循環(huán)的總反應式及能量代謝

三羧酸循環(huán)運轉一周：有2次脫羧（氧化1分子乙酰CoA ）,、4次脫氫（3次由NAD+接受、1次由FAD接受）,、1次底物水平磷酸化,。

表5-1 葡萄糖有氧氧化過程中ATP的生成位點

*（1）糖酵解途經產生的NADH＋H＋，如果經蘋果酸穿梭機制,，1個NADH＋H＋產生3分子ATP：若經α-磷酸甘油穿梭機制,，則產生2分子ATP

（2）1分子葡萄糖分解生成2分子3-磷酸甘油醛，故乘以2,。

（四）三羧酸循環(huán)的特點：

1. 循環(huán)反應在線粒體(mitochondrion)中進行,，為不可逆反應。

2. 每完成一次循環(huán),，氧化分解掉一分子乙?；缮?SPAN lang=EN-US>12分子ATP,。

3. 循環(huán)的中間產物既不能通過此循環(huán)反應生成,，也不被此循環(huán)反應所消耗。

4. 三羧酸循環(huán)中有兩次脫羧反應,，生成兩分子CO₂,。

5. 循環(huán)中有四次脫氫反應，生成三分子NADH和一分子FADH2,。

6. 循環(huán)中有一次底物水平磷酸化,，生成一分子GTP。

7. 三羧酸循環(huán)的關鍵酶是檸檬酸合酶,、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶系,。

三,、有氧氧化的調節(jié)

糖的有氧氧化的三個階段中，第一階段的調節(jié)見糖酵解的調節(jié),，這里主要敘述第二,、三階段的調節(jié)。

（一）丙酮酸脫氫酶復合體的調節(jié) 

丙酮酸脫氫酶復合體可通過變構效應和共價修飾兩種方式進行快速調節(jié),。反應產物NADH,、乙酰CoA對丙酮酸脫氫酶復合體有反饋抑制作用，使有氧氧化減弱,；ATP對其也有抑制作用,，而AMP則有激活作用。此外,，丙酮酸脫氫酶復合體還可被丙酮酸脫氫酶激酶磷酸化,，引起酶蛋白變構而失去活性；丙酮酸脫氫酶磷酸酶則使其脫磷酸而恢復活性,。NADH,、乙酰CoA 增加，還可通過增強丙酮酸脫氫酶激酶活性,，加強對丙酮酸脫氫酶復合體的抑制作用,，協(xié)同減弱糖的有氧氧化，使NADH和乙酰CoA生成不致過多,；而NAD+和ADP則有相反作用,。胰島素可增強丙酮酸脫氫酶磷酸酶活性,，促進糖的氧化分解,。

（二）三羧酸循環(huán)的調節(jié) 

三羧酸循環(huán)的速率和流量受多種因素的調控，在三個不可逆反應中,，其中異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶復合體所催化的反應是三羧酸循環(huán)的主要調節(jié)點,。

當NADH/NAD＋和ATP/ADP濃度比值升高時，異檸檬酸脫氫酶,、α-酮戊二酸脫氫酶復合體被反饋抑制,，三羧酸循環(huán)速率減慢，而ADP則是異檸檬酸脫氫酶的變構激活劑,。

線粒體中Ca^2＋濃渡增高,，可激活異檸檬酸脫氫酶、α-酮戊二酸脫氫酶復合體及丙酮酸脫氫酶復合體活性,，糖的有氧氧化增強,。

三羧酸循環(huán)也受氧化磷酸化速率的影響。三羧酸循環(huán)中由4次脫氫生成的NADH＋H^＋和FADH2中的氫和電子需通過電子傳遞鏈進行氧化及磷酸化生成ATP,，使氧化型NAD＋和FAD得以再生,，否則三羧酸循環(huán)中的脫氫反應將無法進行,。因此，凡是抑制電子傳遞鏈各環(huán)節(jié)的因素均可阻斷三羧酸循環(huán)運轉,。

（三）巴斯德效應

有氧氧化抑制糖酵解的現象稱為巴斯德效應（Pasteur effect）,，此效應是由法國科學家Pasteur利用酵母菌進行生醇發(fā)酵時發(fā)現。人體組織中同樣存在此效應,。當組織供氧充足時,，丙酮酸進入三羧酸循環(huán)氧化，NADH＋H^＋可穿梭進入線粒體經電子傳遞鏈氧化,，使乳酸生成受到抑制,，所以有氧抑制糖酵解。缺氧時,，氧化磷酸化受阻,，NADH＋H^＋累積，使ADP與Pi不能轉變?yōu)?SPAN lang=EN-US>ATP,，ATP/ADP比值降低,，促使6-磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶活性增強，丙酮酸作為氫接受體在胞液中還原為乳酸,，加速葡萄糖沿糖酵解途徑分解,。

糖酵解和糖的有氧氧化是體內糖分解代謝的主要途徑，除此以外,，體內還存在其他代謝途徑,，磷酸戊糖途徑（pentose phosphate pathway）或稱磷酸己糖旁路（hexose monophosphate shunt，簡稱HMS）就是另一重要途徑,。此途徑在肝臟,、脂肪組織、紅細胞,、腎上腺皮質,、泌乳期乳腺、性腺,、骨髓等組織中比較活躍,，整個反應過程均在胞液中進行。

一,、磷酸戊糖途徑的反應過程

磷酸戊糖途徑總反應方程式如下：

圖5-7 磷酸戊糖途徑反應過程

二,、磷酸戊糖途徑的生理意義

（一）提供NADHP作為供氫體參與多種代謝反應

1.NADPH是體內許多合成代謝的供氫體

2.NADPH參與體內羥化反應

3.NADPH用于維持谷胱甘肽的還原狀態(tài)，對保護細胞中含巰基的酶及蛋白質免受氧化,、維持紅細胞的正常功能（膜蛋白的完整性）及血紅蛋白處于還原狀態(tài)起重要作用,。

（二）為核酸的生物合成提供核糖體內磷酸核糖來自磷酸戊糖途徑

5-磷酸核糖是核酸和核苷酸的組成成分。它既可由磷酸戊糖途徑生成，也可通過糖分解代謝的中間產物6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛經前述基團轉移反應的逆反應生成,，但在人體主要是經前一過程生成,。肌組織缺乏6-磷酸葡萄糖脫氫酶，磷酸核糖則靠基團轉移反應生成

（三）提供能量

必要時可通過轉氫酶作用,，使NAD還原成NADH,，后者通過呼吸鏈和氧化磷酸化過程，即可生成ATP提供能量需要,。

糖原（glycogen）是由葡萄糖單位組成的具有許多分支結構的大分子多糖,，是人和動物體內糖的貯存形式。糖原分子中的葡萄糖單位主要以α-1,4-糖苷鍵相連,，形成直鏈結構,，部分以α-1,6-糖苷鍵相連構成支鏈。一條糖鏈有一個還原端和一個非還原端,，每形成一個分支即增加一個非還原端,。糖原的合成與分解都是由非還原端開始的。糖原的合成與分解代謝主要發(fā)生在肝,、腎和肌肉組織細胞的胞液中,。

圖5-8 糖原的分子結構

圖5-9 糖原的分子結構示意圖

一、糖原的合成代謝

（一）糖原合成的反應過程：糖原合成的反應過程可分為三個階段：

1．活化：由葡萄糖在己糖激酶或葡萄糖激酶作用下生成6-磷酸葡萄糖,，是一耗能過程,。

2．6-磷酸葡萄糖轉變?yōu)?SPAN lang=EN-US>1-磷酸葡萄糖  此反應在葡萄糖變位酶催化下完成。

3．生成尿苷二磷酸葡萄糖  在尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶作用下,，1-磷酸葡萄糖與UTP作用,，生成尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG  uridine diphosphate glucose)，釋放出焦磷酸,。焦磷酸被焦磷酸酶迅速水解,，使反應向糖原合成方向進行，同時消耗1個高能磷酸鍵,。                  

4．從UDPG合成糖原  UDPG中的葡萄糖單位在糖原合酶作用下,，轉移到細胞內原有的較小的糖原引物上,，在非還原端以α-1,4-糖苷鍵連接,。每反應一次，糖原引物上即增加一個葡萄糖單位,。糖原引物是在一種被稱為糖原引物蛋白（glycogenin）分子上形成的,，這種蛋白質能對其自身進行共價修飾，即它的分子中第194位酪氨酸殘基的酚羥基被糖基化,，形成葡聚糖鏈,，作為糖原合成時UDPG中葡萄糖基的接受體，此接受體即為糖原引物。  

*n表示糖原引物中葡萄糖數目

5.形成分支  糖原合成酶只能催化形成α-1,4-糖苷鍵,，當糖鏈長度達到12 ～18個葡萄糖殘基時,，由分枝酶使末端含6～7個葡萄糖的糖鏈轉移，以α-1,6-糖苷鍵連接,，形成分枝,。由糖原合成酶與分枝酶催化的反應不斷進行，使作為引物的糖原分子不斷延長,，并增加新的分支

圖5-10 糖原合成中分支的形成

（二）糖原合成反應的特點

1．糖原合成的反應部位在胞漿（肌肉/肝臟）,；關鍵酶是糖原合成酶；原料：G（葡萄糖）,，UDP,，ATP；產物是Gn,，生理意義是儲存能量,。

2.糖原合酶催化的糖原合成反應不能從頭開始，需要至少含4個葡萄糖殘基的α-1,4-葡聚糖作為引物,。

3．糖原合酶是糖原合成過程的限速酶,，其活性受共價修飾和變構的調節(jié)。

4．UDPG是活潑葡萄糖基的直接供體,，其生成過程中要消耗ATP和UTP,，在糖原引物上每增加1個新的葡萄糖單位，要消耗2個高能磷酸鍵,。

5．葡萄糖進入細胞合成糖原過程中,，伴有K＋轉移入細胞，使血Ｋ＋趨于降低,。因此,，輸注胰島素和大量葡萄糖時，要注意防止出現低血鉀,。據此,，血鉀過高的患者，也可采用輸注葡萄糖和少量胰島素的方法降低血鉀,。

二,、糖原的分解代謝

肝糖原分解為葡萄糖以補充血糖的過程，稱為糖原分解,。肌糖原不能分解為葡萄糖,，只能進行糖酵解或有氧氧化。糖原分解包括下列幾個反應步驟：

(一)糖原分解代謝過程

1.糖原分解為1-磷酸葡萄糖  從糖原分子的非還原端開始,，由磷酸化酶催化α-1,4-糖苷鍵分解,，逐個生成1-磷酸葡萄糖,。如圖5-11.

上述反應不斷進行，α-1,4-糖苷鍵逐漸被水解,，糖原分子逐漸變小,，直至距糖原分支部位4 個葡萄糖單位為止。

2.脫掉分支  當反應進行到葡萄糖鏈距分枝處只剩4個葡萄糖單位時,，脫枝酶（轉移酶）將3個葡萄糖單位轉移到其它分枝的非還原未端,，以α-1,6-糖苷鍵相連的最后一個葡萄糖繼續(xù)由脫枝酶水解生成游離的葡萄糖。如圖5-12

至此,，在磷酸化酶與脫枝酶的協(xié)同和反復作用下,，完成糖原分解過程

圖5-11  糖原分解為1-磷酸葡萄糖

圖5-12 糖原的脫支反應

3.1-磷酸葡萄糖在變位酶作用下轉變?yōu)?SPAN lang=EN-US>6-磷酸葡萄糖

4. 6-磷酸葡萄糖在葡萄糖-6-磷酸酶作用下水解為葡萄糖   葡萄糖-6-磷酸酶只存在于肝臟和腎臟，肌肉組織中無此酶,，因此肌糖原不能分解為葡萄糖,，而只有肝、腎組織中的糖原能夠分解為葡萄糖,。

在空腹和饑餓(10~12h)時,，肝糖原分解為葡萄糖釋放入血，以維持血糖濃度恒定,。糖原分解時,，伴有細胞內Ｋ＋的釋放。

（二）糖原分解的特點

1．水解反應在糖原的非還原端進行,；

2．是一非耗能過程,；

3．關鍵酶是糖原磷酸化酶(glycogen phosphorylase)，為一共價修飾酶,，其輔酶是磷酸吡哆醛,。

（三）糖原合成與分解的調節(jié)

糖原的合成與分解對維持血糖濃度的恒定具有重要作用。糖原合酶和磷酸化酶分別是糖原合成與分解代謝中的限速酶,，它們在體內均有無活性型（糖原合酶b和磷酸化酶b）和有活性型（糖原合酶a和磷酸化酶a）兩種形式,，可受到共價修飾調節(jié)和變構調節(jié)的雙重影響。

1. 共價修飾調節(jié)  

當機體受到某些因素影響（如血糖濃度下降,、劇烈運動）時,，引起腎上腺素、胰高血糖素分泌增加,。兩者與肝臟或肌肉等組織細胞膜上的特異性受體結合,，通過G蛋白介導活化腺苷酸環(huán)化酶，使cAMP生成增加,，cAMP又使依賴cAMP的蛋白激酶A活化,?；罨牡鞍准っ?SPAN lang=EN-US>A一方面使有活性的糖原合酶a磷酸化為無活性的糖原合酶b,，使糖原合成過程減弱；另一方面使無活性的磷酸化酶b激酶磷酸化轉變?yōu)橛谢钚缘牧姿峄?SPAN lang=EN-US>b激酶，后者進一步使無活性的糖原磷酸化酶b磷酸化轉變?yōu)橛谢钚缘牧姿峄?SPAN lang=EN-US>a,，使糖原分解增強,。這種調節(jié)的最終結果是抑制糖原合成，促進糖原分解,，使肝糖原分解為葡萄糖釋放入血,，補充血糖濃度，肌糖原分解產生能量用于肌肉收縮（圖5-13）,。通過這種雙向的精細調節(jié),，使代謝狀態(tài)和生理機能保持一致。

胰島素促進糖原合成,，抑制糖原分解,，其機理可能是通過激活磷酸二酯酶加速cAMP的分解，抑制了蛋白激酶A的活性,。

Ca2+的升高可引起肌糖原分解增加,。當神經沖動引起胞液內Ca2+升高時，Ca2+激活磷酸化酶b激酶,，促進磷酸化酶b磷酸化而變成磷酸化酶a,，加速糖原分解，以利肌收縮時獲得能量,。

前述被磷酸化的各種酶包括無活性的糖原合酶b,、有活性的磷酸化酶b激酶和磷酸化酶a，其去磷酸化由磷蛋白磷酸酶-1催化,，去磷酸化以后,，這些酶的活性即發(fā)生相反的變化。磷蛋白磷酸酶-1的活性受細胞內一種磷蛋白磷酸酶抑制劑的調節(jié),，當兩者結合后酶的活性受到抑制,。而這種抑制劑本身也受蛋白激酶A的調控。蛋白激酶A催化其磷酸化后由無活性型轉變?yōu)橛谢钚孕汀?/FONT>