糖代谢的研究与糖新生物学的研究进展.doc

糖代谢的研究与糖新生物学的研究进展0902012010摘要：糖是一类化学本质为多羟醛或多羟酮及其衍生物的有机化合物.在人体内糖的主要形式是葡萄糖(glucose，Glc)及糖原(glycogen，Gn).葡萄糖是糖在血液中的运输形式,在机体糖代谢中占据主要地位；糖原是葡萄糖的多聚体,包括肝糖原、肌糖原和肾糖原等，是糖在体内的储存形式.葡萄糖与糖原都能在体内氧化提供能量.食物中的糖是机体中糖的主要来源，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.机体内糖的代谢途径主要有葡萄糖的无氧酵解、有氧氧化、磷酸戊糖途径、糖原合成与糖原分解、糖异生以及其他己糖代谢等.关键字：糖代谢，研究进展，糖原组学，食物中的糖代谢的基本概念机体内的化学反应是在酶的催化下完成的。在细胞内这些反应不是相互独立的，而是相互联系的，一个反应的产物可能就是下一个反应的底物，这样构成一连串的反应，称之为代谢途径(pathway)，由不同的代谢途径相互交叉构成一个有组织有目的的化学反应网络(network)，称为代谢(metabolism)。体内的代谢途径主要分为两类：一类是由大分子（多糖、蛋白、脂类等）不断降解为小分子（如CO2，NH3，H2O）的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）的过程称之为合成代谢糖的消化和吸收食物中的糖主要是淀粉，另外包括一些双糖及单糖。多糖及双糖都必须经过酶的催化水解成单糖才能被吸收。 食物中的淀粉经唾液中的淀粉酶作用，催化淀粉中-1，4-糖苷键的水解，产物是葡萄糖、麦芽糖、麦芽寡糖及糊精。由于食物在口腔中停留时间短，淀粉的主要消化部位在小肠。小肠中含有胰腺分泌的淀粉酶，催化淀粉水解成麦芽糖、麦芽三糖、糊精和少量葡萄糖。在小肠黏膜刷状缘上，含有糊精酶，此酶催化极限糊精的-1，4-糖苷键及-1，6-糖苷键水解，使-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。 糖被消化成单糖后的主要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赖Na+的 糖代谢耗能的主动摄取过程，有特定的载体参与：在小肠上皮细胞刷状缘上，存在着与细胞膜结合的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。这个过程的能量是由Na+的浓度梯度（化学势能）提供的，它足以将葡萄糖从低浓度转运到高浓度。当小肠上皮细胞内的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的Na+通过钠钾泵(Na+-K+ ATP酶)，利用ATP提供的能量，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+的浓度梯度,使葡萄糖能不断地被转运。糖代谢的途径1） 糖的无氧酵解途径（糖酵解途径）：是在无氧情况下，葡萄糖分解生成乳酸的过程。它是体内糖代谢最主要的途径。糖酵解途径包括三个阶段：第一阶段：引发阶段。葡萄糖的磷酸化、异构化：葡萄糖磷酸化成为葡萄糖-6-磷酸，由己糖激酶催化。为不可逆的磷酸化反应，酵解过程关键步骤之一，是葡萄糖进入任何代谢途径的起始反应，消耗1分子ATP.葡萄糖-6-磷酸转化为果糖-6-磷酸，磷酸己糖异构酶催化；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，是第二个不可逆的磷酸化反应，酵解过程关键步骤之二，是葡萄糖氧化过程中最重要的调节点。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。能量的释放和保留：3-磷酸甘油醛的氧化和NAD+的还原，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用于第七步丙酮酸的还原。1，3-二磷酸甘油酸的氧化和ADP的磷酸化，生成3-磷酸甘油酸和ATP.磷酸甘油酸激酶催化。3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸。2-磷酸甘油酸经烯醇化酶催化脱水，通过分子重排，生成具有一个高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸。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。烯醇式丙酮酸与酮式丙酮酸的互变。丙酮酸还原生成乳酸。一分子的葡萄糖通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：是机体在缺氧或无氧状态获得能量的有效措施；机体在应激状态下产生能量，满足机体生理需要的重要途径；糖酵解的某些中间产物是脂类、氨基酸等的合成前体，并与其他代谢途径相联系。2） 糖的有氧氧化途径：葡萄糖在有氧条件下彻底氧化成水和二氧化碳称为有氧氧化，有氧氧化是糖氧化的主要方式。绝大多数细胞都通过有氧氧化获得能量。肌肉进行糖酵解生成的乳酸，最终仍需在有氧时彻底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：线粒体中的反应阶段：丙酮酸经丙酮酸脱氢酶复合体氧化脱羧生成乙酰CoA，是关键性的不可逆反应。其特征是丙酮酸氧化释放的能量以高能硫酯键的形式储存于乙酰CoA中，这是进入三羧酸循环的开端。三羧酸循环及氧化磷酸化。三羧酸循环是在线粒体内进行的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的再生，构成一次循环过程，其间共进行四次脱氢氧化产生2分子CO2，脱下的4对氢，经氧化磷酸化生成H20和ATP.三羧酸循环的特点是：从柠檬酸的合成到-酮戊二酸的氧化阶段为不可逆反应，故整个循环是不可逆的；在循环转运时，其中每一成分既无净分解，也无净合成。但如移去或增加某一成分，则将影响循环速度；三羧酸循环氧化乙酰CoA的效率取决于草酰乙酸的浓度；每次循环所产生的NADH和FADH2都可通过与之密切联系的呼吸链进行氧化磷酸化以产生ATP；该循环的限速步骤是异柠檬酸脱氢酶催化的反应，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的两种呼吸链，即NADH呼吸链和琥珀酸呼吸链。呼吸链的功能是把代谢物脱下的氢氧化成水，同时产生大量能量以驱动ATP合成。1个分子的葡萄糖彻底氧化为CO2和H2O，可生成36或38个分子的ATP. 3）糖原的合成途径：糖原是动物体内糖的储存形式，是葡萄糖通过-1，4和-1，6糖苷键相连而成的具有高度分枝的聚合物。机体摄入的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。糖原是可以迅速动用的葡萄糖储备。肌糖原可供肌肉收缩的需要，肝糖原则是血糖的重要来源。糖原合成酶是糖原合成中的关键酶，受G-6-P等多种因素调控。葡萄糖合成糖原是耗能的过程，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的过程称为糖异生，是体内单糖生物合成的唯一途径。肝脏是糖异生的主要器官，长期饥饿、酸中毒时肾脏的异生作用增强。3）糖异生反应过程基本上是糖酵解反应的逆过程。由于糖酵解过程中由己糖激 酶、6-磷酸果糖激酶1及丙酮酸激酶催化的三个反应释放了大量的能量，构成难以逆行的能障， 因此这三个反应是不可逆的。这三个反应可以分别通过相应的、特殊的酶催化，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的反应包括丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化的两步反应，构成一条所谓“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的磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸的逆过程。 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通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，故丙酮酸必须进入线粒体才能被羧化为草酰乙酸，这也是体内草酰乙酸的重要来源之一。 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的线粒体及胞液中均有存在。存在于线粒体中的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，通过糖酵解逆行过程生成1，6-二磷酸果糖。存在于细胞质中的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：由于草酰乙酸不能自由进出线粒体内膜，因此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成天冬氨酸；苹果酸、天冬氨酸都能自由进出线粒体内膜，可从线粒体到达细胞质；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的过程。然后，转运到细胞质中的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1，6-二磷酸果糖的逆过程。 (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-磷酸葡萄糖的逆过程。4）磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway）是葡萄糖氧化分解的另一条重要途径，它的功能不是产生ATP，而是产生细胞所需的具有重要生理作用的特殊物质，如NADPH和5-磷酸核糖。这条途径存在于肝脏、脂肪组织、甲状腺、肾上腺皮质、性腺、红细胞等组织中。代谢相关的酶存在于细胞质中。磷酸戊糖途径是一个比较复杂的代谢途径： 6分子葡萄糖经磷酸戊糖途径可以使1分子葡萄糖转变为6分子CO2。磷酸戊糖途径的过程 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，是一系列基团的转移过程。 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的催化作用，NADP+是它们的辅酶，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的作用下成为5-磷酸核糖。 在这一阶段中产生了NADPH+H+和5-磷酸核糖这两个重要的代谢产物。 第二阶段：非氧化反应-一系列基团的转移 在这一阶段中磷酸戊糖继续代谢，通过一系列的反应，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，三种形式的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、四碳和六碳等的单糖磷酸酯，最后转变成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛，进一步代谢成为G-6-P。5） 糖醛酸途径：其生理意义在于生成有活性的葡萄糖醛酸（UDP葡萄糖醛酸），它是生物转化中重要的结合剂，可与多种代谢产物（胆红素、类固醇等）、药物和毒物等结合；还是葡萄糖醛酸的供体，葡萄糖醛酸是蛋白聚糖的重要组成成分，如硫酸软骨素、透明质酸、肝素等。糖生物学研究的现状和特点 1对糖结构的研究 糖链结构与功能的阐明将是后基因组时代生命科学研究的核心内容之一，对人类健康的维护和疾病的防治将产生深远影响。糖链的结构具有惊人的多样性、复杂性和微观不均一性，其一级结构的内容不仅包括糖基的排列顺序，还包括各糖基的环化形式、各糖基本身异头体的构型、各糖基间的连接方式以及分支结构的位点和分支糖链的结构。因此天然糖链结构的研究重点目前主要放在了对催化糖链形成的酶的研究上； 2 对糖链功能的研究 糖链结构与功能的阐明将是后基因组时代生命科学研究的核心内容之一，对人类健康的维护和疾病的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，首先必须和细胞表面的糖类结合。最常见的流感病毒的感染就是它先和宿主细胞表面的带有唾液酸的糖链结合。糖特别是糖复合物中糖链的功能多种多样，如从空间上调节糖复合物的空间结构、保护多肽链不被蛋白酶水解、防止与抗体识别等。近年来的研究表明：糖链作为信息分子涉及多细胞生命的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的更为灵敏的信号识别和调控作用，涉及到多种严重疾病的发生过程，研究人员正积极开发如炎症和自身免疫病、能杀灭癌细胞的疫苗以及长效胰岛素等药物等。由于糖链功能研究中构效关系的形成目前还非常渺茫，只能逐个地分别研究，下一个要攻克的对象，很可能就是被称为“后后基因组”的“糖链”。 3 对糖链在生物信息传达和传达方式的研究 目前人们已经发现许多糖链特别是糖缀合物在生物信息传达中发挥着重要的作用，如在糖蛋白（目前研究的重点）中，糖链对蛋白质的功能起修饰作用，通过影响蛋白质的整体构象从而影响由构象决定的所用功能，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；在糖脂中人们已经证明了血型的决定物质是糖链，在神经组织及大脑中更是存在大量的糖脂，但其生理意义仍了解不多。蛋白聚糖主要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的糖链是信息功能的承担者，发挥着细胞-细胞和细胞-胞外基质信息传递的作用。细胞表面糖复合物上的糖链是信息功能的承担者。发挥着细胞-细胞和细胞-细胞基质之间信息传递的功能。 4 糖原组学将成为生物学研究热点 美国新出版的技术评论刊文称，在基因组学和蛋白质组学相继成为生物学中的重点研究领域后，生物学的另一分支糖原组学（GLYCOMICS）有望取得突破性进展。 正在兴起的糖原组学是研究糖和碳水化合物的。长期以来，碳水化合物是生物化学研究中最缺少魅力的学科。一些科学家认为，糖只是存储能量，形成诸如植物细胞壁结构等，但现在人们对糖逐渐另眼相看。生物学家发现，糖结构的微小差异可能对生物功能有重大影响。 糖生物学或称糖原生物学，之所以落后于基因和蛋白质的研究，在于以前研究人员缺乏研究碳水化合物分子的有效工具，以及糖分子本身的复杂性。 DNA和蛋白质实际上是直线序列，而糖有分叉序列。DNA仅有4种基本单元，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：“目前我们尚未破译其密码，我们仅处于揭示糖奥秘的初始阶段”。他所属的实验室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的“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。 了解糖的功能对医学的影响，可能远超过改进药的剂量及战胜癌症。研究人员正研究糖