糖代谢的研究与糖新生物学的研究进展.doc

糖代谢研究与糖新生物学研究进展
090201
摘要: 糖是一类化学本质为多羟醛或多羟酮及其衍生物有机化合物.在人体内糖关键形式是葡萄糖(glucose, Glc)及糖原(glycogen, Gn).葡萄糖是糖在血液中运输形式,在机体糖代谢中占据关键地位; 糖原是葡萄糖多聚体,包含肝糖原、 肌糖原和肾糖原等, 是糖在体内储存形式.葡萄糖与糖原都能在体内氧化提供能量.食物中糖是机体中糖关键起源, 被人体摄入经消化成单糖吸收后, 经血液运输到各组织细胞进行合成代谢和分解代谢.机体内糖代谢路径关键有葡萄糖无氧酵解、 有氧氧化、 磷酸戊糖路径、 糖原合成与糖原分解、 糖异生以及其她己糖代谢等.

关键字: 糖代谢, 研究进展, 糖原组学, 食物中糖

代谢基础概念
机体内化学反应是在酶催化下完成。在细胞内这些反应不是相互独立, 而是相互联络, 一个反应产物可能就是下一个反应底物, 这么组成一连串反应, 称之为代谢路径(pathway), 由不一样代谢路径相互交叉组成一个有组织有目化学反应网络(network), 称为代谢(metabolism)。
体内代谢路径关键分为两类: 一类是由大分子（多糖、 蛋白、 脂类等）不停降解为小分子（如CO2, NH3, H2O）过程称之为分解代谢（catabolism）; 另一类是由小分子（如氨基酸等）生成大分子（如蛋白质）过程称之为合成代谢

糖消化和吸收
食物中糖关键是淀粉, 另外包含部分双糖及单糖。多糖及双糖都必需经过酶催化水解成单糖才能被吸收。 　　食物中淀粉经唾液中α淀粉酶作用, 催化淀粉中α-1, 4-糖苷键水解, 产物是葡萄糖、 麦芽糖、 麦芽寡糖及糊精。因为食物在口腔中停留时间短, 淀粉关键消化部位在小肠。小肠中含有胰腺分泌α淀粉酶, 催化淀粉水解成麦芽糖、 麦芽三糖、 α糊精和少许葡萄糖。在小肠黏膜刷状缘上, 含有α糊精酶, 此酶催化α极限糊精α-1, 4-糖苷键及α-1, 6-糖苷键水解, 使α-糊精水解成葡萄糖; 刷状缘上还有麦芽糖酶可将麦芽三糖及麦芽糖水解为葡萄糖。小肠黏膜还有蔗糖酶和乳糖酶, 前者将蔗糖分解成葡萄糖和果糖, 后者将乳糖分解成葡萄糖和半乳糖。 　　糖被消化成单糖后关键吸收部位是小肠上段, 己糖尤其是葡萄糖被小肠上皮细胞摄取是一个依靠Na+ 糖代谢
耗能主动摄取过程, 有特定载体参与: 在小肠上皮细胞刷状缘上, 存在着与细胞膜结合Na+-葡萄糖联合转运体, 当Na+经转运体顺浓度梯度进入小肠上皮细胞时, 葡萄糖随Na+一起被移入细胞内, 这时对葡萄糖而言是逆浓度梯度转运。这个过程能量是由Na+浓度梯度（化学势能）提供, 它足以将葡萄糖从低浓度转运到高浓度。当小肠上皮细胞内葡萄糖浓度增高到一定程度, 葡萄糖经小肠上皮细胞基底面单向葡萄糖转运体（unidirectional glucose transporter）顺浓度梯度被动扩散到血液中。小肠上皮细胞内增多Na+经过钠钾泵(Na+-K+ ATP酶), 利用ATP提供能量, 从基底面被泵出小肠上皮细胞外,进入血液, 从而降低小肠上皮细胞内Na+浓度, 维持刷状缘两侧Na+浓度梯度,使葡萄糖能不停地被转运。

糖代谢路径
1） 糖无氧酵解路径（糖酵解路径）: 是在无氧情况下, 葡萄糖分解生成乳酸过程。它
是体内糖代谢最关键路径。糖酵解路径包含三个阶段: 第一阶段: 引发阶段。葡萄糖磷酸化、 异构化: ①葡萄糖磷酸化成为葡萄糖-6-磷酸, 由己糖激酶催化。为不可逆磷酸化反应, 酵解过程关键步骤之一, 是葡萄糖进入任何代谢路径起始反应, 消耗1分子ATP.②葡萄糖-6-磷酸转化为果糖-6-磷酸, 磷酸己糖异构酶催化; ③果糖-6-磷酸磷酸化, 转变为1, 6-果糖二磷酸, 由6磷酸果糖激酶催化, 消耗1分子ATP, 是第二个不可逆磷酸化反应, 酵解过程关键步骤之二, 是葡萄糖氧化过程中最关键调整点。第二阶段: 裂解阶段。1, 6-果糖二磷酸折半分解成2分子磷酸丙糖（磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛）, 醛缩酶催化, 二者可互变, 最终1分子葡萄糖转变为2分子3-磷酸甘油醛。第三阶段: 氧化还原阶段。能量释放和保留: ①3-磷酸甘油醛氧化和NAD+还原, 由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化, 生成1, 3-二磷酸甘油酸, 产生一个高能磷酸键, 同时生成NADH用于第七步丙酮酸还原。②1, 3-二磷酸甘油酸氧化和ADP磷酸化, 生成3-磷酸甘油酸和ATP.磷酸甘油酸激酶催化。③3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸。④2-磷酸甘油酸经烯醇化酶催化脱水, 经过分子重排, 生成含有一个高能磷酸键磷酸烯醇式丙酮酸。⑤磷酸烯醇式丙酮酸经丙酮酸激酶催化将高能磷酸键转移给ADP, 生成烯醇式丙酮酸和ATP, 为不可逆反应, 酵解过程关键步骤之三。⑥烯醇式丙酮酸与酮式丙酮酸互变。⑦丙酮酸还原生成乳酸。
一分子葡萄糖经过无氧酵解可净生成2个分子三磷酸腺苷（ATP）, 这一过程全部在胞浆中完成。
生理意义: ①是机体在缺氧或无氧状态取得能量有效方法; ②机体在应激状态下产生能量, 满足机体生理需要关键路径; ③糖酵解一些中间产物是脂类、 氨基酸等合成前体, 并与其她代谢路径相联络。

2） 糖有氧氧化路径: 葡萄糖在有氧条件下根本氧化成水和二氧化碳称为有氧氧化, 有氧
氧化是糖氧化关键方法。绝大多数细胞都经过有氧氧化取得能量。肌肉进行糖酵解生成乳酸, 最终仍需在有氧时根本氧化为水及二氧化碳。有氧氧化可分为两个阶段: 第一阶段, 胞液反应阶段: 糖酵解产物NADH不用于还原丙酮酸生成乳酸, 二者进入线粒体氧化。　第二阶段: 线粒体中反应阶段: ①丙酮酸经丙酮酸脱氢酶复合体氧化脱羧生成乙酰CoA, 是关键性不可逆反应。其特征是丙酮酸氧化释放能量以高能硫酯键形式储存于乙酰CoA中, 这是进入三羧酸循环开端。②三羧酸循环及氧化磷酸化。三羧酸循环是在线粒体内进行一系列酶促连续反应, 从乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸到草酰乙酸再生, 组成一次循环过程, 其间共进行四次脱氢氧化产生2分子CO2, 脱下4对氢, 经氧化磷酸化生成H20和ATP.三羧酸循环特点是: ①从柠檬酸合成到α-酮戊二酸氧化阶段为不可逆反应, 故整个循环是不可逆; ②在循环转运时, 其中每一成份既无净分解, 也无净合成。但如移去或增加某一成份, 则将影响循环速度; ③三羧酸循环氧化乙酰CoA效率取决于草酰乙酸浓度; ④每次循环所产生NADH和FADH2都可经过与之亲密联络呼吸链进行氧化磷酸化以产生ATP; ⑤该循环限速步骤是异柠檬酸脱氢酶催化反应, 该酶是变构酶, ADP是其激活剂, ATP和NADH是其抑制剂。
线粒体内膜上分布有紧密相连两种呼吸链, 即NADH呼吸链和琥珀酸呼吸链。呼吸链功效是把代谢物脱下氢氧化成水, 同时产生大量能量以驱动ATP合成。1个分子葡萄糖根本氧化为CO2和H2O, 可生成36或38个分子ATP. 3）糖原合成路径: 糖原是动物体内糖储存形式, 是葡萄糖经过α-1, 4和α-1, 6糖苷键相连而成含有高度分枝聚合物。机体摄入糖大部分转变成脂肪（甘油三酯）后储存于脂肪组织内, 只有一小部分以糖原形式储存。糖原是能够快速动用葡萄糖贮备。肌糖原可供肌肉收缩需要, 肝糖标准是血糖关键起源。
　　糖原合成酶是糖原合成中关键酶, 受G-6-P等多个原因调控。葡萄糖合成糖原是耗能过程, 合成1分子糖原需要消耗2个ATP. 4）糖异生: 由非糖物质转变为葡萄糖过程称为糖异生, 是体内单糖生物合成唯一路径。肝脏是糖异生关键器官, 长久饥饿、 酸中毒时肾脏异生作用增强。
3）糖异生反应过程基础上是糖酵解反应逆过程。因为糖酵解过程中由己糖激 酶、 6-磷酸果糖激酶1及丙酮酸激酶催化三个反应释放了大量能量, 组成难以逆行能障, 所以这三个反应是不可逆。这三个反应能够分别经过对应、 特殊酶催化, 使反应逆行(图6-19), 完成糖异生反应过程。
　　(一)丙酮酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸
　　丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸反应包含丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化两步反应, 组成一条所谓“丙酮酸羧化支路”使反应进行。这个反应是糖酵解过程中丙酮酸激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸逆过程。
　　1. 丙酮酸羧化生成草酰乙酸
　　此反应由丙酮酸羧化酶催化, 辅酶是生物素, ATP、 Mg2+（Mn2+）参与羧化反应, CO2经过生物素使丙酮酸羧化生成草酰乙酸。此酶存在于线粒体中, 故丙酮酸必需进入线粒体才能被羧化为草酰乙酸, 这也是体内草酰乙酸关键起源之一。
　　2．草酰乙酸脱羧生成磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）
　　此反应由磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化, 由GTP提供能量, 释放CO2。
　　磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶在人体线粒体及胞液中都有存在。存在于线粒体中磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶, 可直接催化草酰乙酸脱羧生成PEP, PEP从线粒体转运到细胞质, 经过糖酵解逆行过程生成1, 6-二磷酸果糖。存在于细胞质中磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶, 首先要使草酰乙酸从线粒体转运到细胞质中: 因为草酰乙酸不能自由进出线粒体内膜, 所以草酰乙酸先要在线粒体内还原生成苹果酸或经转氨基作用生整天冬氨酸; 苹果酸、 天冬氨酸都能自由进出线粒体内膜, 可从线粒体抵达细胞质; 在细胞质中苹果酸可脱氢氧化、 天冬氨酸可再经转氨基作用生成草酰乙酸, 完成了将草酰乙酸从线粒体转运到细胞质过程。然后, 转运到细胞质中草酰乙酸可在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化下脱羧生成PEP。
　　(二)1, 6-二磷酸果糖转变为6-磷酸果糖
　　此反应由1, 6-二磷酸果糖酶1催化进行。这个反应是糖酵解过程中1, 6-二磷酸果糖酶1催化6-磷酸果糖生成1, 6-二磷酸果糖逆过程。
　　(三)6-磷酸葡萄糖转变为葡萄糖
　　此反应由葡萄糖-6-磷酸酶催化进行。这个反应是糖酵解过程中己糖激酶催
化葡萄糖生成6-磷酸葡萄糖逆过程。

4）磷酸戊糖路径（pentose phosphate pathway）是葡萄糖氧化分解另一条关键路径, 它功效不是产生ATP, 而是产生细胞所需含相关键生理作用特殊物质, 如NADPH和5-磷酸核糖。这条路径存在于肝脏、 脂肪组织、 甲状腺、 肾上腺皮质、 性腺、 红细胞等组织中。代谢相关酶存在于细胞质中。
磷酸戊糖路径是一个比较复杂代谢路径: 6分子葡萄糖经磷酸戊糖路径能够使1分子葡萄糖转变为6分子CO2。磷酸戊糖路径过程
　　反应可分为两个阶段: 第一阶段是氧化反应, 产生NADPH及5-磷酸核糖; 第二阶段是非氧化反应, 是一系列基团转移过程。
　　第一阶段: 氧化反应
　　6-磷酸葡萄糖由6-磷酸葡萄糖脱氢酶（glucose 6-phosphate dehydrogenase,G-6-PD）及6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶催化作用, NADP+是它们辅酶, G-6-P在第一位碳原子上脱氢脱羧而转变为5-磷酸核酮糖, 同时生成2分子NADPH+H+及1分子CO2。5-磷酸核酮糖在异构酶作用下成为5-磷酸核糖。
　　在这一阶段中产生了NADPH+H+和5-磷酸核糖这两个关键代谢产物。
　　第二阶段: 非氧化反应--一系列基团转移
　　在这一阶段中磷酸戊糖继续代谢, 经过一系列反应, 循环再生成G-6-P。5-磷酸核酮糖经异构反应转变为5-磷酸核糖或5-磷酸木酮糖, 三种形式磷酸戊糖经转酮醇酶催化转移酮醇基(—CO-CH20H)及转醛醇酶催化转移醛醇基(-CHOH-CO-CH20H), 进行基团转移, 中间生成三碳、 七碳、 四碳和六碳等单糖磷酸酯, 最终转变成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛, 深入代谢成为G-6-P。

5） 糖醛酸路径: 其生理意义在于生成有活性葡萄糖醛酸（UDP葡萄糖醛酸）, 它是生物
转化中关键结合剂, 可与多个代谢产物（胆红素、 类固醇等）、 药品和毒物等结合; 还是葡萄糖醛酸供体, 葡萄糖醛酸是蛋白聚糖关键组成成份, 如硫酸软骨素、 透明质酸、 肝素等。

糖生物学研究现实状况和特点
1对糖结构研究
糖链结构与功效说明将是后基因组时代生命科学研究关键内容之一, 对人类健康维护和疾病防治将产生深远影响。糖链结构含有惊人多样性、 复杂性和微观不均一性, 其一级结构内容不仅包含糖基排列次序, 还包含各糖基环化形式、 各糖基础身异头体构型、 各糖基间连接方法以及分支结构位点和分支糖链结构。所以天然糖链结构研究关键现在关键放在了对催化糖链形成酶研究上;

2 对糖链功效研究
糖链结构与功效说明将是后基因组时代生命科学研究关键内容之一, 对人类健康维护和疾病防治将产生深远影响。病毒、 细菌、 真菌、 寄生虫等病原体, 为了能进入细胞内, 首先必需和细胞表面糖类结合。最常见流感病毒感染就是它先和宿主细胞表面带有唾液酸糖链结合。糖尤其是糖复合物中糖链功效多个多样, 如从空间上调整糖复合物空间结构、 保护多肽链不被蛋白酶水解、 预防与抗体识别等。多年来研究表明: 糖链作为信息分子包含多细胞生命全部空间和时间过程, 如精卵识别、 组织器官形态形成、 老化、 癌变等, 在血液和淋巴循环中起着动态更为灵敏信号识别和调控作用, 包含到多个严重疾病发生过程, 研究人员正主动开发如炎症和本身免疫病、 能杀灭癌细胞疫苗以及长久有效胰岛素等药品等。因为糖链功效研究中构效关系形成现在还非常渺茫, 只能逐一地分别研究, 下一个要攻克对象, 很可能就是被称为“后后基因组”“糖链”。

3 对糖链在生物信息传达和传达方法研究
现在大家已经发觉很多糖链尤其是糖缀合物在生物信息传达中发挥着关键作用, 如在糖蛋白（现在研究关键）中, 糖链对蛋白质功效起修饰作用, 经过影响蛋白质整体构象从而影响由构象决定所用功效, 如正确折叠、 细胞内定位、 抗原性、 细胞-细胞黏附和结合病原体等; 在糖脂中大家已经证实了血型决定物质是糖链, 在神经组织及大脑中更是存在大量糖脂, 但其生理意义仍了解不多。蛋白聚糖关键有维持或抑制细胞生长以及在正常发育和病理条件下结合、 贮存及向靶细胞释放生长因子和参与信号转导等作用。细胞表面糖复合物上糖链是信息功效负担者, 发挥着细胞-细胞和细胞-胞外基质信息传输作用。细胞表面糖复合物上糖链是信息功效负担者。发挥着细胞-细胞和细胞-细胞基质之间信息传输功效。

4 糖原组学将成为生物学研究热点
美国新出版《技术评论》刊文称, 在基因组学和蛋白质组学相继成为生物学中关键研究领域后, 生物学另一分支——糖原组学（GLYCOMICS）有望取得突破性进展。
正在兴起糖原组学是研究糖和碳水化合物。长久以来, 碳水化合物是生物化学研究中最缺乏魅力学科。部分科学家认为, 糖只是存放能量, 形成诸如植物细胞壁结构等, 但现在大家对糖逐步另眼相看。生物学家发觉, 糖结构微小差异可能对生物功效有重大影响。
糖生物学或称糖原生物学, 之所以落后于基因和蛋白质研究, 在于以前研究人员缺乏研究碳水化合物分子有效工具, 以及糖分子本身复杂性。
DNA和蛋白质实际上是直线序列, 而糖有分叉序列。DNA仅有4种基础单元, 蛋白质有20种, 而糖有30种以上。
麻省理工学院糖原生物学家萨西赛克哈兰说: “现在我们还未破译其密码, 我们仅处于揭示糖奥秘初始阶段”。她所属试验室2年前才开发出第一个糖排序方法。麻省理工学院化学家西伯格于今年2月演示了第一个自动化“糖合成仪”。就像20世纪80年代中期发明自动化 DNA排序和合成仪, 从而开辟出基因组学领域一样, 自动化“糖合成仪”也使糖原组学成为热门学科。
了解糖功效对医学影响, 可能远超出改善药剂量及战胜癌症。研究人员正研究糖是怎样影响帕金森氏病、 早老性痴呆症和像艾滋病那样传染病发展。

5 相关糖组和糖组学研究
研究表明, 糖组和糖组学是两个不一样概念。糖组是表象, 糖组学是本质。依据基因组和蛋白质组定义, 糖组也很自然地被定义为单一生物体内整套聚糖。糖组比基因组和蛋白质组要复杂得多, 糖组中聚糖类物质其组成和结构远远复杂于基因组和蛋白质组且难以找到其规律性。
在部分文章中指出, 以糖蛋白为对象糖组研究应该得到一组能够表征所研究糖蛋白特定参数。采取关键手段是糖捕捉法（glyco-catch）和前沿亲和层析（frontal affinity chromatography）。
汇报介绍了质谱技术在糖组研究中地位与日俱增和毛细管电泳技术在糖类研究中应用日益广泛。
糖组研究只是了解一个生物体在某一情况下所含有整套聚糖, 并没有也不可能提供更多有用信息, 糖组学是研究糖链表示、 调控和生理功效科学。
影响糖合成原因更多, 糖与生物体内其它物质之间关系愈加亲密。
在总体上, 应该将糖组学研究与相关基因组学和蛋白质组学研究内容结合起来; 在战术上, 两种“表面”技术在糖组学研究糖类与蛋白质相互作用中十分有用。
现在糖生物学研究热点领域关键集中于糖基化工程、 糖组学及糖类诊疗剂开发。糖基化工程研究关键为糖蛋白链功效分析和糖基化表示体系构建, 为处理基因工程药品免疫原性、 生物活性及药品设计等问题而提供指导。糖组学是在蛋白组学基础上发展起来一个崭新研究领域。相关糖类活性物质应用开发研究, 取得了巨大进展。
参考文件
张楚富 生物化学原理
郑集, 陈钧辉 一般生物化学
王金胜, 王冬梅等 生物化学
蔡孟深 糖化学