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裟车郦
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1 醣類之消化吸收及代謝 2007/11/12 楊素卿 1 消化部位消化液性質消化酵素口腔胃唾液 saliva 胃液 gastric juice 無色弱酸性 ph6.3~6.8 無色酸性 ph1.5~2.0 -amylase Starch dextrin maltose (2)maltase maltose glucose 唾液中之 -amylase 的最適 ph 為 6.6~6.8, 因此在胃內不作用小腸胰液 pancreatic juice 無色鹼性 ph8.5 腸液 intestinal juice 無色鹼性 ph8.3 -amylase Starch dextrin maltose (2)maltase maltose glucose (1)maltase maltose glucose (2)sucrase sucrose glucose+fructose (3)lactase lactose glucose+galactose 2007/11/12 楊素卿 2 1

2 吸收口腔 : 不吸收營養素, 但有些藥物可由口腔粘膜吸收胃 : 不吸收一般的營養素, 但有些低分子化合物可由胃粘膜吸收, 如 : 酒精食鹽或藥小腸 :(1) 分解成單醣後, 由小腸吸收吸收速度以 glucose 為 100 時, galactose 為 110,fructose 為 43,mannose 為 19,xylose 為 15, arabinose 為 9 (2) 一般 hexose 藉由 glucose 運輸蛋白 (GLUT) ATP 及 Na +, K + -ATPase 進入小腸粘膜細胞 (3)fructose 不以主動運輸, 而是以促進擴散 (facilitate diffusion) 之方式吸收 (4) 被吸收之單醣經由肝門靜脈進入肝臟進行各種代謝大腸 : 主要是吸水份 2007/11/12 楊素卿 3 醣類代謝之意義 (1) 每日攝取 2,000~2,500kcal 的熱量, 其中醣類約佔 60% 但是, 構成身體組成成分中醣類卻佔不到 1% 由此可知, 攝取後之醣類會立即燃燒產生熱量或轉變其他物質 (2) 所有之生物都會分解醣類產生熱量, 以維持生命其分解作用會在每個細胞中個別產生其產生之熱量可以維持此細胞之生理活動 (3) 體內醣類之分布與攝取量比較之, 非常少如下 : 體重 60kg 成人肝臟 1,680g. 約 100g 血液 4,600mL.. 約 4g 肌肉 24.0kg.. 約 180g 其他的組織. 約 16g 醣類合計. 約 300g 2007/11/12 楊素卿 4 2

3 糖解作用 (glycolysis) 一反應內容及步驟 1. 葡萄糖分解為 2 分子丙酮酸 (pyruvate) 的過程 2. 自丙酮酸後的代謝反應, 取決於氧氣的可獲性, 而被稱為有氧 (aerobic) 或無氧 (anaerobic) 反應 3. 無氧的環境中, 如氧債 (oxygen debt), 丙酮酸被轉換為乳酸 (lactate) 不同於正常的情況, 通常在劇烈運動後, 肌肉為了滿足其能量的需求, 因此氧氣的需要量會超過可獲量因而使乳酸堆積於肌肉細胞, 造成過度運動引起的局部酸痛然而在無氧環境中, 糖解釋放小量的能量, 幫助肌肉即使在氧債下依舊能維持這是無氧反應產生乳酸的最主要功能 2007/11/12 楊素卿 5 4. 丙酮酸也可以進行為有氧反應的克氏循環 (Krebs cycle), 在此被完全地氧化為二氧化碳和水完全的氧化伴隨著較多量的能量釋放, 多數以氧化磷酸化反應 (oxidative phosphorylation) 形成的 ATP 型式因為糖解酵素作用於細胞質內, 而催化克氏循環的酵素位於粒線體中, 所以丙酮酸一定要進入粒線體中以氧化糖解緊接著克氏循環的發生 ( 葡萄糖有氧異化 ), 需要大量的氧氣, 一般正常, 處於休息狀態的哺乳類細胞能供應所需的氧氣量在正常有氧的狀態下, 丙酮酸通常完全地被氧化, 而只形成少量乳酸因此, 在能量代謝中, 糖解的最重要功能為提供克氏循環完全氧化葡萄糖所需的反應起始條件 5. 在紅血球這種缺乏粒線體的細胞中, 糖解是唯一提供 ATP 的代謝途徑 2007/11/12 楊素卿 6 3

4 6. 特定反應的敘述 : (1) 六碳糖激酶 (hexokinase) / 葡萄糖激酶 (glucokinase) 的反應消耗 1 mol ATP/mol 葡萄糖六碳糖激酶 ( 非葡萄糖激酶 ) 被反應產物,6- 磷酸葡萄糖 (glucose 6-phosphate) 負向調控 (hexokinase 與 glucokinase 的差別 ) 參看 p /11/12 楊素卿 7 p16 當葡萄糖進入細胞後, 首先被 hexokinase 磷酸化, 在葡萄糖第六個碳原子上, 形成磷酸鹽酯 (phosphate ester) 肌肉細胞中, hexokinase 催化磷酸根轉移, 此異位酵素受到反應產物 glucose 6-phosphate 的負向調節在肝臟, 葡萄糖磷酸化作用 (phosphorylation) 主要受 glucokinase ( 有時被稱為六碳醣激酶 D (hexokinase D)) 催化雖然反應產物皆為 6- 磷酸葡萄糖, 但葡萄糖激酶和六碳醣激酶仍有不同例如, hexokinase 受到 6- 磷酸葡萄糖負向調節, 但 glucokinase 則否另外, 葡萄糖激酶的 K m 值高於六碳醣激酶, 這表示當細胞內葡萄糖濃度明顯增加時 ( 如在一頓富含碳水化合物的飲食後 ), 能以較快的速率將葡萄糖形成磷酸鹽的形式六碳醣激酶較低的 K m 值, 即使在一般的葡萄糖濃度下, 仍以最大值的速率進行催化因此, 當血糖升高時, 肝臟具有降低血糖濃度的能力再者, 血糖升高刺激胰島素的活性, 而 glucokinase 是由胰島素所誘發的第一型糖尿病患者由於體內缺乏胰島素, 所以葡萄糖激酶的活性低於正常值這導致細胞無法攝入及代謝葡萄糖因為活化葡萄糖 ( 磷酸化 ) 需要 ATP, 所以六碳醣激酶 / 葡萄糖激酶反應是耗能的 2007/11/12 楊素卿 8 4

5 (2) 磷酸葡萄糖異構酶 (glucose 6-phosphate isomerase, 亦稱為己糖磷酸異構酶 (hexose phosphate isomerase) ) 催化同分異構物間的轉換 (3) 磷酸果糖激酶 (6-phosphofructokinase) 反應是重要的調節位置, 被 ATP 和檸檬酸 (citrate) 負向調節, 被 AMP 和 ADP 正向調節 (4) 醛縮酶 (aldolase) 反應將二磷酸己糖 (hexose bisphosphate), 即 fructose 1,6-bisphosphate 分解為 2 個磷酸三碳糖 (triose phosphate), 即 Glyceraldehyde 3-phosphate 及 dihydroxyacetone phosphate(dhap) 2007/11/12 楊素卿 9 (5) 磷酸三碳糖異構酶 (triosephosphate isomerase) 催化 glyceraldehyde 3-phosphate 和 dihydroxyacetone phosphate(dha P) 間同質異構物的轉化在細胞中, 反應會偏向 glyceraldehyde 3-phosphate 的合成, 其後由 glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase 催化繼續反應, 此時以 NAD +, 形成的 NADH 由氧氣經過粒線體中的電子傳遞鏈, 將之再氧化為 NAD +, 過程於下節介紹在無氧環境下, 不需氧氣以維持糖解的原因是, 消耗的 NAD + 可由反應 (11) 補充 2007/11/12 楊素卿 10 5

(6) 由磷酸甘油酸激酶 (phosphoglycerate kinase) 催化的反應, 是其中 ADP 為受質, 被磷酸化 (7) 磷酸甘油酸變位酶 (phosphoglycerate phosphomutase) 催化將甘油酸第三碳原子上的磷酸根轉移至第二碳原子上 (8) 以烯醇酶 (enolase) 將 2- 磷酸甘油酸鹽 (2-phosphoglycerate) 脫氫後,

6 (6) 由磷酸甘油酸激酶 (phosphoglycerate kinase) 催化的反應, 是其中 ADP 為受質, 被磷酸化 (7) 磷酸甘油酸變位酶 (phosphoglycerate phosphomutase) 催化將甘油酸第三碳原子上的磷酸根轉移至第二碳原子上 (8) 以烯醇酶 (enolase) 將 2- 磷酸甘油酸鹽 (2-phosphoglycerate) 脫氫後, 產生一個雙鍵, 即 phosphoenolpyruvate(pep) (9) 反應 8 的產物,PEP 在丙酮酸激酶 (pyruvate kinase) 催化的反應中, 將磷酸根轉移給 ADP 這是糖解中第二個 ADP 受質磷酸化的位置 2007/11/12 楊素卿 11 (10) 乳酸脫氫酶 (lactate dehydrogenase) 反應將 2 個來自 NADH 和 H + 的氫原子轉移給丙酮酸, 使其還原為乳酸在無氧環境下, 此反應產生的 NAD + 可補充反應 (6) 的消耗需要特別強調, 此一反應在氧債的情況下最為旺盛, 以延長肌肉的活力在正常有氧的狀況下, 丙酮酸進入粒線體以完全氧化丙酮酸第三個重要的代謝選擇是經轉胺作用 (transamination), 由麩胺酸 (glutamate) 得到一個胺基 (amino group), 而形成丙胺酸 (alanine) 由於丙酮酸也是各種胺基酸異化的產物, 因此成為蛋白質和碳水化合物代謝間重要的連結 2007/11/12 楊素卿 12 6

7 二粒線體的膜輸送 (1) 幾乎所有親水性之物質均無法通過粒線體膜, 因此必須有特別之輸送系統 (2) 肌肉或腦部中, 為了使醣解作用中之 NADH 通過, 而有 glycerol phosphate shuttle 此路徑中,NADH+H + 必須轉變成 FADH 2 才能進入電子傳遞鏈 (3) 肝臟心臟或腎臟中, 為了使醣解作用中之 NADH 通過, 而有 malate-aspartate shuttle 此路徑中,NADH+H + 會再生成, 因此以 NADH+H + 的形式進入電子傳遞鏈 2007/11/12 楊素卿 13 Glycerol 3-phosphate Glycerophosphate dehydrogenase Glycerol 3-phosphate Glycerophosphate dehydrogenase dihydroxyacetone phosphate(dhap) dihydroxyacetone phosphate(dhap) glycerol phosphate shuttle NADH+H + 必須轉變成 FADH 2 才能進入電子傳遞鏈 2007/11/12 楊素卿 14 7

粒線體輸送蛋白質 oxaloacetate malate dehydrogenase malate malate oxaloacetate malate dehydrogenase 胺基轉移 -ketoglutarate -ketoglutarate 胺基轉移 aspartate aspartate 輸送蛋白質 glutamic acid glutamic acid

8 粒線體輸送蛋白質 oxaloacetate malate dehydrogenase malate malate oxaloacetate malate dehydrogenase 胺基轉移 -ketoglutarate -ketoglutarate 胺基轉移 aspartate aspartate 輸送蛋白質 glutamic acid glutamic acid malate-aspartate shuttle NADH+H + 會再生成, 因此以 NADH+H + 的形式進入電子傳遞鏈 2007/11/12 楊素卿 15 三電子傳遞鏈 (electron transport chain) 氧化磷酸化反應 (oxidative phosphorylation) (1) 又稱為呼吸鏈 (respiratory chain) (2) 糖解作用 TCA cycle 及脂肪酸 -oxidation 等途徑所產生之 NADH+H + 或 FADH 2 會經由此路徑生成熱量後, 轉變成 H 2 O (3) 其反應並非直接進行, 而是由一連串之氧化還原酵素 (cytochrome 類 ) 之作用, 產生電子傳遞之現象, 最後由 H + 及活性氧反應而生成 H 2 O (4) 此時, 用所產生之熱量, 以無機磷將 ADP 磷酸化, 產生 ATP 等高熱量化合物 2007/11/12 楊素卿 16 8

cycle 所產生 ATP 數之計算時,NAD + 或 FAD 所產生之 ATP 數在此可得到應證生成之 ATP 數

9 cytochrome cytochrome cytochrome cytochrome 生成之 ATP 數 (1)NAD + 開始反應時, 產生 ATP 的地方有 3 個, 而 FAD 開始則只有 2 個地方會產生 ATP (2) 於糖解作用或 TCA cycle 所產生 ATP 數之計算時,NAD + 或 FAD 所產生之 ATP 數在此可得到應證生成之 ATP 數 NADH+H +..3 個 ATP FADH 個 ATP 2007/11/12 楊素卿 /11/12 楊素卿 18 9

DH is the NADH dehydrogenase. Cyt is the cytochrome b-c1 complex. Oxid is the cytochrome oxidase complex. The small unlabeled peripheral protein is cytochrome c.

10 DH is the NADH dehydrogenase. Cyt is the cytochrome b-c1 complex. Oxid is the cytochrome oxidase complex. The small unlabeled peripheral protein is cytochrome c. The mobile cofactor is ubiquinone/ubihydroquinone. 2007/11/12 楊素卿 19 四糖解作用之意義一般細胞 ( 有氧 ) (1) 細胞機能之維持或增殖時獲得熱量所必須經過的第一階段反應 (2) 在肌肉或腦細胞中 (glycerol phosphate shuttle), 有氧之條件下,1 分子 glucose 產生 6 分子 ATP 及 2 分子 pyruvate( 之後進入 TCA cycle) ( 本身之反應產生 2 分子 ATP,2(NADH+H + ) 進入電子傳遞鏈中, 可產生 4 分子 ATP, 所以實際產生 6 分子 ATP) (3) 肝臟心臟或腎臟中,2(NADH+H + ) 被送進 malateaspartate shuttle, 所以可產生 8 分子 ATP 2007/11/12 楊素卿 20 10

11 肌肉細胞 (1) 肌肉組織為應運動之需求, 必須儲存 1%glycogen (2)glucose 或 glycogen 通常會進行有氧分解作用, 如同上述, 產生 ATP 及 pyruvate( 由 glucose 開始作用產生 6 分子 ATP, 而由 glycogen 開始則是產生 7 分子 ATP) (3) 當激烈運動時, 氧氣不足的情形之下,NADH+H + 將 pyruvate 還原成 lactic acid, 並產生 ATP( 由 glucose 開始作用產生 2 分子 ATP, 而由 glycogen 開始則是產生 3 分子 ATP) (4) 恢復期時, 在氧氣供應之下,lactic acid 會再氧化成 pyruvate, 其中 20~25% 會進入 TCA cycle 產生熱量, 剩餘之 pyruvate 則會再合成 glycogen (5)lactic acid 產生過量時, 可由血液運至肝臟進行醣質新生作用, 即 Cori cycle (6) 紅血球內無 TCA cycle, 因此 lactic acid 為其醣解作用之最終產物 2007/11/12 楊素卿 21 血糖調節 ( 肝臟細胞 ) (1) 肝臟細胞利用醣解作用進行血糖之調節反應即, 血糖高時, 會轉變成 glycogen 儲存, 相反地, 血糖低時, 儲存之 glycogen 將會分解成 glucose, 以維持血糖 ( 參看 p18) (2) 肌肉中因為缺乏 glucose-6-phosphatase, 不能由 glycogen 轉變成 glucose, 因此, 並不影響血糖 2007/11/12 楊素卿 22 11

12 Fructose Galactose Mannose 之分解與生合成 (1)Fructose Galactose 及 Mannose 也進入醣解途徑, 進行分解 (2) 三者均會轉變成 2 分子之三碳化合物, 因為消耗 2 分子 ATP, 因此在醣解作用中, 與 glucose 產生同量之 ATP (3) 可利用逆反應在細胞內產生 fructose 和 galactose 2007/11/12 楊素卿 23 (4) 果糖轉化為糖解代謝物的方式 : 肝外組織 : 利用 hexokinase 直接將 fructose 磷酸化產生 fructose-6-phosphate 此反應較不重要, 因為反應速率慢而且需要高濃度的果糖才能反應肝臟組織 : 果糖激酶 (fructokinase) 只存在於肝細胞中, 催化第一碳原子的磷酸化可將 fructose 轉變成 fructose 1- phosphate 接著被醛醇縮酶 (aldolase) ( 被稱為醛醇縮酶 B, 以和作用於 fructose1,6-biphosphate 的酵素區別 ) 分解為 DHAP 和甘油醛 (glyceraldehyde) glyceraldehyde 可被甘油醛激酶 (glyceraldehyde kinase) 或三碳糖激酶 (triokinase) 催化, 消耗一個 ATP 而形成 3- 磷酸甘油醛 (glyceraldehyde 3- phosphate) 因此果糖可被轉化為糖解作用的中間產物, 進入糖解作用, 參與 pyruvate 的生成和克氏循環的氧化 2007/11/12 楊素卿 24 12

13 (5) 半乳糖轉化為糖解代謝物的方式 : UDP-glucose galactose -ATP galactose 1-phosphate galactose 1-phosphate uridyl transferase uridine diphosphate (UDP)-galactose + glucose 1-phosphate epimerase UDP-glucose glucose 1-phosphate galactose 1-phosphate uridyl transferase glucose 6-phosphate 2007/11/12 楊素卿 25 半乳糖首先被半乳糖激酶 (galactokinase) 磷酸化, 在半乳糖第一碳原子上產生磷酸酯 (phosphate ester), 即 1- 磷酸半乳糖 (galactose 1-phosphate) 1- 磷酸半乳糖 (galactose 1-phosphate) 經過中間產物尿苷雙磷酸半乳糖 (uridine diphosphate (UDP)-galactose) 和尿苷雙磷酸葡萄糖 (uridine diphosphate (UDP)-glucose), 轉化為 1- 磷酸葡萄糖 (glucose-1-phosphate) 1- 磷酸半乳糖轉尿苷醯酶 (galactose 1-phosphate uridyl transferase) 將尿苷醯磷酸殘基 (uridyl phosphate residue) 由 UDP- 葡萄糖移轉至 1- 磷酸半乳糖 (galactose 1-phosphate), 生成 1- 磷酸葡萄糖 (glucose 1-phosphate) 和 UDPgalactose 表異構酶(epimerase) 則將 UDP- 半乳糖轉化為 UDP- 葡萄糖, 再被前面提到的 galactose 1-phosphate uridyl transferase 反應, 轉化為 1- 磷酸葡萄糖, 或由肝醣合成酶作用而合成肝醣 UDP- 半乳糖經過一系列的反應, 由 UDP-glucose 生成 1- 磷酸葡萄糖, 再成為 6- 磷酸葡萄糖, 以此形式進入糖解反應 2007/11/12 楊素卿 26 13

2007/11/12 楊素卿 27 脂質代謝之中繼點脂質合成所需之 glycerol 由醣解作用中之 DHAP 提供

14 pentose phosphate pathway(ppp) 之中繼點 (1) 產生核酸合成所需之 pentose (2) 供給各種生合成所需之 NADH+H +, 由 glucose-6-phosphate 進入 PPP PPP 2007/11/12 楊素卿 27 脂質代謝之中繼點脂質合成所需之 glycerol 由醣解作用中之 DHAP 提供 glycerol 代謝時, 亦進入醣解作用 glycerol glycerol-3-phosphate 2007/11/12 楊素卿 28 14

15 胺基酸代謝之中繼點 (1) 丙胺酸去胺基之後, 轉變成 pyruvate, 也可產生逆反應 (2) 醣解作用中有特定胺基酸代謝之進入點 2007/11/12 楊素卿 29 15

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??5.6?g [???e????] Title page 營養生化學 (Nutrition biochemistry) 醣類之消化吸收及代謝楊素卿 (Suh-Ching, Yang) 臺北醫學大學保健營養學系教師連絡方式 : 分機 6553;sokei@tmu.edu.tw 2010/4/1 楊素卿 1 學習目標了解醣類的消化與吸收了解並熟記醣類的代謝 ; 包括 (1) 醣解作用 (2) 三羧酸循環 (3) 肝醣之合成與分解