万兴脑图第二十一章糖异生和糖的其他代谢途径
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第二十一章糖异生和糖的其他代谢途径
生物化学，包含糖异生作用：糖异生作用的途径、由丙酮酸形成葡萄糖的能量消耗及意义、糖异生作用的调节、乳酸的再利用和可立氏循环；葡萄糖的转运；乙醛酸途径等。
编辑于2021-10-25 10:02:05- 相似推荐
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糖异生和糖的其他代谢途径
糖异生作用
糖异生作用的途径
糖异生作用：以非糖物质作为前体合成葡萄糖的作用。非糖物质包括乳酸、丙酮酸、丙酸、甘油以及氨基酸等
动物：
植物：
糖异生作用和糖酵解作用的关系：糖酵解过程是放能过程
糖异生对糖酵解的不可逆过程采取的迂回措施
丙酮酸+CO₂+ATP+H₂O
草酰乙酸+GTP
1,6-二磷酸果糖+H₂O
6-磷酸葡糖+H₂O
糖异生作用的绝大多数酶是细胞溶胶酶，但丙酮酸羧化酶位于线粒体基质，6-磷酸葡糖磷酸酶位于光面内质网上
由丙酮酸形成葡萄糖的能量消耗及意义
总反应：2丙酮酸+4ATP+2GTP+2NADH+6H₂O→葡萄糖+4ADP+2GDP+Pi+2NAD⁺+2H⁺
一个ATP分子参加到反应中或某一反应相偶联可改变其平衡常数的系数为10⁸。表明糖异生作用在热力学上是有力的
糖异生作用的调节
磷酸果糖激酶和1,6-二磷酸果糖磷酸酶的调节
AMP、ATP和柠檬酸
AMP对磷酸果糖激酶有激活作用，AMP刺激磷酸果糖激酶加速糖酵解过程，同时1,6-二磷酸果糖磷酸酶不再促进糖异生
ATP以及柠檬酸对磷酸果糖激酶起抑制作用，二者浓度升高，磷酸果糖激酶受到抑制从而降低糖酵解作用，同时柠檬酸刺激1,6-二磷酸果糖磷酸酶使糖异生加速
2,6-二磷酸果糖
2,6-二磷酸果糖对磷酸果糖激酶有激活作用，对1,6-二磷酸果糖磷酸酶有抑制作用
在饱食条件下，血糖浓度升高，胰岛素水平也升高，故2,6-二磷酸果糖也升高，加速糖酵解，抑制糖异生
在饥饿时，低水平的2,6-二磷酸果糖使糖异生处于优势
丙酮酸激酶、丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶之间的调节
在肝中丙酮酸激酶受高浓度ATP和丙氨酸的抑制，当ATP和丙氨酸等供生物合成所需的中间物充足时，糖酵解受到抑制
丙酮酸羧化酶受乙酰-CoA的激活和ADP的抑制，当乙酰-COA的含量充分时，丙酮酸羧化酶受到激活促进糖异生
供能不充分时，ADP浓度升高，丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶受到抑制使糖异生停止。因此时ATP水平很低，丙酮酸激酶解除抑制，糖酵解又发挥作用
丙酮酸激酶受到1,6-二磷酸果糖的正反馈激活作用，加速糖酵解
当处于饥饿状态时，肝中的丙酮酸激酶受到抑制限制糖酵解
乳酸的再利用和可立氏循环
乳酸再利用：丙酮酸+NADH+H⁺→乳酸+NAD⁺（丙酮酸脱氢酶）→丙酮酸（乳酸脱氢酶）
可立氏循环（Cori cycle）：肌肉细胞内的乳酸扩散到血液并随着血流进入肝细胞，在肝细胞内通过糖异生途径转变为葡萄糖，又回到血液随血流供应肌肉和脑对葡萄糖的需要
葡萄糖的转运
顺浓度梯度下降的方式，葡萄糖进出细胞质膜依靠葡糖运载蛋白
红细胞的跨膜运载蛋白往复进行与葡萄糖的结合部位面向细胞质膜外面和面向质膜内面两种形式的构象改变
运输蛋白转运葡萄糖的过程
当面向外面的结合部位与葡萄糖结合后即引起运载蛋白发生构象改变，使结合着的葡萄糖分子从原来面向外的结合部位转移到新形成的面向内的结合部位。葡萄糖由于两种不同构象的转换，完成了它的跨膜转运
与向内的结合部位结合着的葡萄糖随即从结合部位解脱下来，游离到红细胞内部。运载蛋白失去葡萄糖分子后，又变回到原来的构象形式。面向细胞内面的结合部位失去活性，又重新形成面向外部的结合部位
乙醛酸途径
只存在于植物和微生物中，催化该途径的酶既存在于线粒体，也存在于植物膜所特有的亚细胞结构乙醛酸循环体中，特别包括只存在于乙醛酸循环体中的异柠檬酸裂合酶和苹果酸合酶
线粒体中的草酰乙酸在天冬氨酸氨基转换酶作用下接受谷氨酸的α-氨基形成天冬氨酸后跨越线粒体膜进入乙醛酸循环体
天冬氨酸经天冬氨酸氨基转换酶将氨基转移到α-酮戊二酸上，本身形成草酰乙酸后才能与乙酰-CoA缩合形成柠檬酸
柠檬酸经乌头酸酶作用形成异柠檬酸，再经异柠檬酸裂合酶裂解成琥珀酸和乙醛酸
乙醛酸与另一乙酰-CoA在苹果酸合酶催化下形成苹果酸，穿过乙醛酸循化体膜进入细胞溶胶中，由苹果酸脱氢酶将其氧化成草酰乙酸
细胞溶胶中的草酰乙酸可经糖异生途径转变为葡萄糖
异柠檬酸裂解产生的琥珀酸可跨膜进入线粒体，通过与柠檬酸相同的途径形成草酰乙酸
总反应式：2乙酰-CoA+NAD⁺+2H₂O→琥珀酸+2CoASH+NADH+H⁺
意义：乙醛酸循环使萌发的种子将储存的三酰甘油通过乙酰-CoA转变为葡萄糖
寡糖类的生物合成和分解
概述
糖苷键的形成在生理条件下需要提供能量。能量的需要主要是供单糖形成活化形式的NDP-糖分子（核苷酸糖分子）
催化形成糖苷键的酶为糖基转移酶
参与转移单糖的核苷酸
UDP（尿苷二磷酸）：N-乙酰半乳糖胺，N-乙酰葡糖胺，N-乙酰胞壁酸，半乳糖，葡糖醛酸，木糖
GDP（鸟苷二磷酸）：岩藻糖，甘露糖
CMP胞苷酸：唾液酸
每一种糖分子只与核苷酸中的一种相结合
乳糖的生物合成和分解
乳糖的生物合成
乳糖由半乳糖和葡萄糖以β-1,4糖苷键相连
UDP-半乳糖的来源：UDP-葡萄糖+1-磷酸半乳糖→1-磷酸葡萄糖+UDP-半乳糖
哺乳动物乳腺中乳糖合成旺盛
UDP-半乳糖+N-乙酰-D-葡糖胺→D-半乳糖基-N-乙酰-D-葡糖胺+UDP（半乳糖基转移酶）
雌性哺乳动物生产后：UDP-D-半乳糖+D-葡萄糖→D-乳糖+UDP（与α-乳清蛋白结合的半乳糖基转移酶即乳糖合酶）
α-乳清蛋白是乳腺中特有的无催化作用的蛋白质，作用是改变半乳糖基转移酶的催化功能，使之以葡萄糖作为半乳糖基的受体
乳糖是乳汁中主要的糖，乳汁中除含有乳糖外，还含有一种含乳糖的寡糖称为乳糖-N-新四糖，有抑制肺炎双球菌型多糖抗原的作用，从而得以保护婴儿机体的健康
乳糖的分解代谢
乳糖在消化道内的分解有乳糖酶催化，该酶附着在小肠上皮细胞的外表面上。乳糖被细胞摄取以前必须水解为单糖
微生物水解乳糖靠β-半乳糖苷酶催化，乳糖被水解后形成半乳糖和葡萄糖
乳糖+H₂O→D-半乳糖+D-葡萄糖（乳糖酶或β-半乳糖苷酶）
形成的单糖进入小肠上皮细胞在进入血液，由血液送到各种组织，在组织细胞中进行磷酸化并纳入糖酵解途径
乳糖不耐症
定义：几乎所有的婴儿和幼儿都能消化乳糖，但到少年或成年后，许多人小肠上皮细胞的乳糖酶活性大部分或全部消失，致使乳糖不能被完全消化或完全不能消化，也不能被小肠吸收。乳糖在小肠腔内会产生很强的渗透效应导致流体向小肠内流；在大肠内，乳糖被细菌转变为有毒物质。因而出现腹胀、恶心、绞痛以及腹泻等症状，临床上称为乳糖不耐症
细菌中的β-半乳糖苷酶是可诱导的酶和β-半乳糖苷酶相伴合成的有半乳糖苷通透酶（对于乳糖跨越细菌的细胞膜是必需的）和硫代半乳糖苷转乙酰酶（体外实验发现它催化将乙酰基从乙酰-CoA转移到硫代半乳糖的C6羟基上）
在大肠杆菌细胞内，天然的诱导物是别乳糖，别乳糖的合成是由少数已存在的β-半乳糖苷酶分子催化的。异丙基-β-D-硫代半乳糖苷是一种不参与代谢的诱导物
糖蛋白的生物合成
糖蛋白糖链生物合成的特点
糖蛋白中N-糖链的合成是和肽链的生物合成同时进行的，O-糖链的合成是在肽链合成后，对肽链进行修饰加工时将糖基逐个连接上去的
糖链的合成是由糖基作为供体和受体，在糖基转移酶催化下完成的。糖基供体、受体和糖基转移酶之间有相互协调的作用。糖基转移酶活化的糖基转移到糖基受体上。糖基转移酶对作为供体的糖基和受体都有严格的专一性。因此，糖链中的每个糖苷键都是由专一的糖基转移酶催化形成的
前一个糖基转移酶的产物是后一个糖基转移酶的底物
作为糖基供体的活化单糖最常见的活化形式：核苷二磷酸和长醇焦磷酸（DPP）形式
糖蛋白的肽链在糖基化过程中，作为第一个糖基受体的氨基酸残基一般是肽链中特定位点的氨基酸残基
肽链延伸时，糖基的受体则是新接上去的糖基
糖蛋白寡糖部分与多肽链相连接的类型
N-连接型
N-连寡糖是寡糖分子以β-N-糖苷键的形式与多肽链相连。相连的部分是多肽链的Asn残基，与该残基相隔的氨基酸必须是Ser或Thr，与该残基相连的氨基酸必需是除Pro和Asp以外的任何氨基酸
N-连接类型的糖链一般由6至数10个糖基连接而成且都形成分支，称“天线”。寡糖的糖基部分主要是N-乙酰氨基葡糖，此外还有半乳糖和甘露糖等。在酸性N-糖链的末端往往是唾液酸，又称N-乙酰神经氨酸
以N-连接的寡糖中都有一个共同的五糖核心。它由3个甘露糖残基和2个N-乙酰葡糖胺残基构成。其他附加的糖以不同的形式加在这个核心上，形成各式各样的寡糖，可大致分为高甘露糖型、复杂性和杂合型
O-连接型
O-连寡糖是通过α-O-糖苷键与肽链上的丝氨酸或苏氨酸相连。只有在胶原蛋白中，O-糖苷键是与5-羟赖氨酸残基相连
O-糖链的结构虽然比N-糖链的简单，但参与连接的糖残基却是多种多样
含有两个以上糖基的多糖链主要是由O-乙酰-D-半乳糖胺构成，可将其结构大致分为
核心：O-连糖链和N-连糖链的核心不同，N-连糖链只有一个共同的五糖核心，而O-连糖链多由于N-乙酰-D-半乳糖胺和半乳糖以及N-乙酰-D-葡糖胺的链接方式不同而形成多种形式的糖链核心
骨架：骨架部分即核心外的延伸部分，O-糖链和N-糖链的外链基本相似，大多由Gal-GlcNAc（半乳糖-N-乙酰葡糖胺）二糖单位组成，但O-糖链骨架的多样性仍是它的一个特点
非还原性末端：O-糖链的非还原端主要是唾液酸（Sia）可以α2,6或α2,3的连接形式分别与半乳糖或N-乙酰-D-半乳糖胺相连。此外还有的非还原末端是HSO₃⁻。O-糖链上的分支结构和糖链非还原端部分的糖基往往在构成复杂的血型抗原中起重要作用
酰胺键型
这一类型的寡糖链的非还原端大多是通过甘露糖磷酸乙醇胺间接地和多肽链的末端羧基形成酰胺键而结合，寡糖链的还原端又和磷脂酰肌醇中的肌醇分子的C6位相连
糖基化的磷脂酰肌醇起着锚（着点）的作用，糖基磷脂酰肌醇被称为糖基磷脂酰肌醇-锚（着点）
糖蛋白中寡糖链的生物合成
N-连寡糖（内质网合成，高尔基体加工）
合成步骤
合成以酯键相连的寡糖前体
将前体转移到正在增长着的肽链上
除去前体的某些糖单位
在剩余的寡糖核心上再加入另外的糖分子
N-连寡糖的共同寡糖前体——长醇-焦磷酸-寡糖
长醇-焦磷酸-寡糖的合成过程包含拓扑变化
N-连寡糖与蛋白质的结合是在蛋白质合成过程中开始的
糖蛋白的加工开始于内质网完成于高尔基体
内在高尔基体网络：在内质网对面，是蛋白质的入口，蛋白质通过它进入高尔基体
高尔基体外侧网络：是加工过的蛋白质的出口
糖蛋白在不同部位之间的转移是在膜泡中进行的
N-连寡糖蛋白的寡糖之间表现出极大的多样性，甚至具有相同多肽链的糖蛋白也能表现出相当明显的微小差异，可能是由于糖基化不完全或是由于糖基转移酶或糖化酶的专一性差异造成的
能阻断某种专一性糖基化酶对研究糖蛋白糖基化的加工过程有重要作用
衣霉素（是一种抗生素，一种具有疏水性的UDP-N-乙酰葡糖胺的类似物)阻断由磷酸长醇和UDP-N-乙酰葡糖胺形成长醇-焦磷酸-寡糖的过程
杆菌肽：一种环状多肽，也是一种抗生素。杆菌肽和长醇-焦磷酸形成一种复合物，从而抑制长醇焦磷酸的去磷酸化作用因此在脂连寡糖前体的形成中起抑制作用。杆菌肽用于临床只抑制细菌细胞壁的合成，不伤害动物，因为杆菌肽不能通过细胞膜，而细菌细胞壁的合成是在细胞膜外进行的
都能抑制细菌细胞壁的生物合成，细胞壁的合成过程有脂连寡糖参与
O-连寡糖
O-连寡糖是先合成蛋白质的多肽链，然后合成寡糖链，所以是先翻译后加工形成
与N-连寡糖的区别：N-连寡糖的糖链是转移到多肽链的一定氨基酸序列上的天冬氨酸残基上；O-连寡糖糖基化的丝氨酸和苏氨酸位点不属于任何一段特定的氨基酸序列，而是和多肽链的二级和三级结构有关，当丝氨酸和苏氨酸的附近含有脯氨酸时，则α螺旋结构被β折叠片或β转角取代从而容易发生O-连糖基化。
一般认为O-糖基化发生于N-糖基化之后，而且不同糖蛋白O-糖基化的起始地点不一致，有的在内质网，有的在内质网-高尔基体中间结构，也有的在内测高尔基体。但外侧糖基的添加都是在高尔基体完成的
O-连寡糖链的非还原端的基团
唾液酸唾液酸化所需的酶具有专一性
硫酸：硫酸化时，HSO⁻基团一般和半乳糖的第4位相接，催化此反应的酶是高尔基体中的磺基转移酶
岩藻糖：非还原端的L-岩藻糖基化是血型抗原合成的必须步骤
糖基磷脂酰肌醇四糖核心
糖基磷脂酰肌醇（GPI）可将各种蛋白质锚定到真核细胞浆膜的外表面。GPI连接到蛋白质的羧基端使蛋白质得到依附，得以自由地在细胞膜的外面活动
GPI的核心结构实在内质网膜腔侧由磷脂酰肌醇、UDP-N-乙酰葡糖胺、长醇-磷酸-甘露糖和磷脂酰基乙醇胺合成的
因GPI基团是附着在粗面内质网的腔面蛋白质上，由GPI锚定的蛋白质得以存在于细胞浆膜的外表面
糖蛋白糖链的分解代谢
在溶酶体中进行，糖蛋白的彻底降解需要蛋白水解酶和糖苷酶的联合作用
N-连糖蛋白的水解先从裸露在糖链外的肽链开始，肽链的降解为N-糖链的水解提供空间
糖链核心的降解先被水解的基团往往是岩藻糖，其次是以β1,4-糖苷链连接的N-乙酰-葡糖胺
O-糖蛋白的水解根据糖链的密集程度不同，其多肽链和寡糖链水解的先后也有不同，但也可同时进行
葡萄糖+Pi
6-磷酸果糖+Pi
磷酸烯醇式丙酮酸+CO₂+GDP
草酰乙酸+ADP+Pi+2H⁺
三酰甘油
甘油
能量
6-磷酸葡糖
血糖
糖原
糖蛋白
二糖
其他单糖
淀粉
蔗糖
磷酸烯醇式丙酮酸
3-磷酸甘油酸
CO₂固定
三羧酸循环
生糖氨基酸
丙酮酸
乳酸