双糖和多糖的分解与合成

六、双糖和多糖的分解与合成

（一）双糖和多糖的酶促降解

1.蔗糖、麦芽糖和乳糖的酶促降解

（1）蔗糖的水解：蔗糖是植物体糖类运输的主要形式。蔗糖的水解主要通过两种酶：

①蔗糖合成酶（sucrose synthetase）。催化蔗糖与尿苷二磷酸（UDP）反应生成果糖和尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG），反应可逆。

②蔗糖酶（sucrase）。可催化蔗糖水解生成葡萄糖和果糖。

蔗糖酶又叫转化酶（invertase），广泛存在于植物体内。蔗糖水解时，糖苷键断裂的自由能变化为ΔG0′=-27.62kJ/mol，反应不可逆。ΔG0′表示pH7.0时的自由能变化。

（2）麦芽糖的水解。麦芽糖由麦芽糖酶（maltase）水解成葡萄糖。在植物体内，麦芽糖酶常与淀粉酶同时存在。

（3）乳糖的水解。乳糖由β-半乳糖苷酶（galactosidase）催化水解形成D-葡萄糖和D-半乳糖。

2.多糖的酶促降解

（1）糖原分解　糖原是动物细胞中葡萄糖的贮存形式，其生物学意义就在于它是贮存能量的、容易动员的多糖。糖原降解的产物是1-磷酸葡萄糖。糖原的葡萄糖残基磷酸解形成1-磷酸葡萄糖所消耗的底物除糖原分子的残基外，就是无机磷酸，没有消耗任何ATP分子。而l-磷酸葡萄糖在进一步分解前转变为6-磷酸葡萄糖也不消耗ATP分子。

糖原分解（glycogenolysis）是指糖原分解为葡萄糖的过程。糖原的分解需要3种酶的作用：糖原磷酸化酶（glycogen phosphorylase）、糖原脱支酶（glycogen debranching enzyme）和磷酸葡萄糖变位酶（phosphoglucomutase）。其反应步骤如下：

①糖原磷酸解为1-磷酸葡萄糖　糖原磷酸化酶催化糖原非还原性尾端的葡萄糖基磷酸化。糖原磷酸化酶从糖原分子的非还原性尾端切下一个葡萄糖分子，同时又出现新的非还原性尾端。该反应不消耗ATP，反应所需的磷酸基团由无机磷酸提供，生成1-磷酸葡萄糖（图3-55）。磷酸化酶是糖原分解过程的限速酶，其辅酶是磷酸吡哆醛。

糖原磷酸化酶只催化1，4糖苷键的磷酸解，且只能作用到距糖原分子分支点4个葡萄糖残基之前的糖苷键。糖原的继续分解还需其他酶参与作用。

②1-磷酸葡萄糖转变为6-磷酸葡萄糖。1-磷酸葡萄糖必须转变成6-磷酸葡萄糖才有可能进入代谢主线，参加糖酵解或转变成游离的葡萄糖。催化磷酸基团转移的酶为磷酸葡萄糖变位酶。

③6-磷酸葡萄糖水解为葡萄糖　6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶（glucose-6-phosphatase）是专门水解6-磷酸葡萄糖的酶。

该酶存在于体内肝细胞、肾细胞及肠细胞内质网膜的内腔面，而脑细胞和肌肉细胞中缺乏此酶。因此，肝糖原可直接分解为葡萄糖，肌糖原却不能直接转变为葡萄糖。

④转移　当糖原分支上的糖链被磷酸化分解到只剩下4个葡萄糖基时，由于位阻效应，磷酸化酶不能继续发挥其作用，此时由α-1，4葡聚糖转移酶催化糖原分支上近末端侧的3个葡萄糖基转移到主链的非还原端，形成更长的α-1，4糖苷链，以便磷酸化酶发挥其催化作用。转移的结果，可使支链剩下的最后—个葡萄糖基与主链相连接的α-1，6糖苷键暴露出来。

⑤脱支　在α-1，6-葡萄糖苷酶作用下，将已暴露出的分支点处的α-1，6糖苷键水解，生成游离的葡萄糖，糖原分子脱去分支（图3-56）。

（2）淀粉的酶促水解　淀粉在酶的作用下，通过水解和磷酸解两种途径降解，降解的产物也因此而异。在植物中参与淀粉水解的酶有α-淀粉酶（α-amylase）、β-淀粉酶（β-amylase）、脱支酶和麦芽糖酶。

①α-淀粉酶　为淀粉内切酶，其作用方式是在淀粉分子内部随机切断（水解）α-1，4糖苷键。如果底物是直链淀粉，生成葡萄糖和麦芽糖的混合物。如果底物是支链淀粉，则水解产物中除上述产物外，还含有α-1，6糖苷键的糊精。

②β-淀粉酶　为淀粉外切酶，水解α-1，4糖苷键，它作用于多糖的非还原性尾端而生成麦芽糖。所以当β-淀粉酶作用于直链淀粉时，能生成定量的麦芽糖。当底物为支链淀粉时，产物为麦芽糖和极限糊精。后者是淀粉酶不能再分解的支链淀粉残余（图3-57）。

③脱支酶　是专一水解α-1，6糖苷键的酶。支链淀粉经淀粉酶水解产生的极限糊精，由脱支酶水解去除α-1，6糖苷键连接的葡萄糖，再在α-淀粉酶和β-淀粉酶作用下彻底水解。

④麦芽糖酶　水解淀粉酶解产物麦芽糖和糊精中的α-1，4糖苷键，水解产物为葡萄糖。

（3）淀粉的磷酸解淀粉磷酸化酶（amylophosphorylase）催化α-1，4葡聚糖非还原性尾端的葡萄糖残基转移给磷酸，产生1-磷酸葡萄糖（G-1-P），同时产生的一个新的非还原性尾端又重复上述磷酸解过程。该酶广泛存在于高等植物的叶片及绝大多数贮藏器官中。

（二）蔗糖和多糖的生物合成

1.糖核苷酸的作用

葡萄糖只有转变为活化形式，才能合成寡糖和多糖。尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）、腺苷二磷酸葡萄糖（ADPG）和鸟苷二磷酸葡萄糖（GDPG）都是葡萄糖的活化形式，它们分别在寡糖和多糖的生物合成中作为葡萄糖的供体。在焦磷酸化酶（pyrophosphorylase）催化下，供体可通过下列反应合成（图3-58）。

此反应是可逆的，但由于焦磷酸（PPi）极易被焦磷酸酶（pyrophosphatase）水解成磷酸使反应向右进行，因而反应向右进行。ADPG和GDPG也是以类似的反应生成的，催化的酶是ADPG（或GDPG）焦磷酸化酶。

2.蔗糖的生物合成

蔗糖的合成可通过下列两条途径：

（1）蔗糖合成酶　蔗糖合成酶（sucrose synthetase）能利用UDPG作为葡萄糖供体与果糖合成蔗糖。

UDPG+果糖→UDP+蔗糖

该酶还可利用ADGP、GDGP等作为葡萄糖供体，主要存在于植物的非绿色组织（如贮藏器官）。

（2）磷酸蔗糖合成酶　磷酸蔗糖合成酶（phosphosucrose synthetase）可使UDPG的葡萄糖转移到6-磷酸果糖上，形成磷酸蔗糖：

UDPG+6-磷酸果糖→UDP+磷酸蔗糖

在磷酸蔗糖磷酸酶（phosphosucrose phosphatase）的催化下，磷酸蔗糖水解生成蔗糖。

磷酸蔗糖+H2O→蔗糖+Pi

由于磷酸蔗糖合成酶的活性较高（特别是在光合组织中），而且磷酸蔗糖合成酶存在量大，所以一般认为途径（2）是植物合成蔗糖的主要途径。

3.淀粉的合成

光合作用旺盛时，叶绿体可直接合成和积累淀粉；非光合组织也可利用葡萄糖合成或通过蔗糖转化成淀粉。

（1）直链淀粉的合成　通过三种酶进行：

①淀粉磷酸化酶　淀粉磷酸化酶（starch phosphorylase）广泛存在于动物、植物、酵母和某些细菌中，催化下面反应：

葡萄糖C1被磷酸化，因此所转移来的葡萄糖是加在引物链的C4非还原性尾端羟基上。植物细胞中无机磷浓度较高，因此通常磷酸化酶的主要作用是催化淀粉的水解。

②D酶　D酶是一种糖苷转移酶，作用于α-1，4糖苷键，能将一个麦芽多糖的残余段转移到葡萄糖、麦芽糖或其他含α-1，4糖苷键的多糖上，起着加成作用（图3-59），形成淀粉合成中的“引物”。

③淀粉合成酶　淀粉合成酶（starch synthetase）是淀粉合成的主要酶类。该酶主要以ADPG作为葡萄糖基供体，也可以利用UDPG，但利用ADPG合成淀粉的反应比利用UDPG快10倍。

ADPG+引物（nG）→淀粉[（n+1）G]+ADP

④蔗糖转化为淀粉　光合组织合成的糖转化成蔗糖后运输到非光合组织，在非光合器官中蔗糖可以转化为淀粉（图3-60）。

①蔗糖合成酶；②UDPG焦磷酸化酶；③ADPG焦磷酸化酶；④淀粉合成酶；⑤果糖激酶；⑥磷酸己糖异构酶；⑦磷酸己糖变位酶

（2）支链淀粉的合成　支链淀粉除含有α-1，4糖苷键外，还有α-1，6糖苷键。因此，支链淀粉是在淀粉合成酶和α-1，4葡聚糖分支酶共同作用下生成的。淀粉合成酶催化葡萄糖以α-1，4键结合，α-1，4葡聚糖分支酶可从直链淀粉的非还原端拆开一个低聚糖片段，并将其转移到毗邻的直链片段的非尾端残基上，并以α-1，6键与之相连，即形成一个分支（图3-61）。

4.糖原的合成

葡萄糖（还有少量果糖和半乳糖）在肝、肌肉等组织中可以合成糖原。由单糖合成糖原的过程称为糖原合成（glycogenesis）。在糖原生物合成中，糖基的供体是尿苷二磷酸葡萄糖（uridine diphosphate glucose, UDGP）。糖原的生物合成通过3个步骤，包括3个酶的催化作用：尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（UDPG pyrophosphorylase）、糖原合成酶（glycogen synthase）和糖原分支酶（glycogen beanching enzyme）。

由葡萄糖合成糖原的反应过程包括：

（1）尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）的生成　糖原合成时，葡萄糖首先磷酸化生成6-磷酸葡萄糖（图3-62）。此步反应与糖酵解的起始反应相同。6-磷酸葡萄糖在磷酸葡萄糖变位酶催化下，磷酸基从6位移至1位而转变为1-磷酸葡萄糖，反应可逆（图3-63）。葡萄糖进入糖原分子时要形成α-1，4糖苷键，故磷酸基从6位移至1位是为葡萄糖与糖原分子连接做准备。

1-磷酸葡萄糖与UTP反应，由尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（UDPG焦磷酸化酶）催化生成UDPG和焦磷酸。1-磷酸葡萄糖分子中磷酸基团的氧原子向UTP分子的α磷原子进攻形成UDP-葡萄糖（UDPG）和焦磷酸（PPi），PPi迅速被无机焦磷酸酶水解为2分子无机磷酸（Pi），使反应向合成糖原方向进行（图3-64）。

三磷酸核苷在反应中裂解产生焦磷酸，这种现象在生物合成中广泛存在。焦磷酸的水解和核苷酸的水解相偶联，有力地推动那些在热力学上原来可逆的甚至是吸能的反应向一个方向进行。高能态的UDPG能够容易地将其糖基用于糖原的合成。在许多双糖和多糖的生物合成中UDPG都起着糖基供体的作用。葡萄糖形成UDPG的重要生物学意义就在于它使葡萄糖变为更活泼的活化形式。所以，可以将UDPG看作体内的“活性葡萄糖”。

（2）UDPG中的葡萄糖连接到糖原引物上　游离状态的葡萄糖不能作为UDPG中葡萄糖基的受体，因此，糖原合成过程中必须有糖原引物（Primer）存在。起引物作用的是一种分子质量为37 ku的特殊蛋白质称为糖原蛋白（glycogenin）。该蛋白质分子上带着一个以α-1，4-葡萄糖为单位的寡糖分子，其糖基供体也是UDPG。糖原蛋白实际上形成了糖原分子的核心（core）。在已经合成的8个葡萄糖残基的基础上，糖原合成酶再继续延长糖基链。糖原合成酶将UDPG上的葡萄糖分子转移到糖原引物的非还原性尾端上，从而生成比原来多1分子葡萄糖的糖原。糖原合成酶只有与糖原蛋白紧紧结合在一起时才能有效地发挥其催化作用。糖原颗粒的数目取决于糖原蛋白的分子数目，而糖原分子的延长与否，亦即分子的大小取决于糖原合成酶与糖原蛋白相互之间的作用。

（3）分支酶催化糖原不断形成新分支链　糖原合成酶只能催化α-1，4葡萄糖苷键合成即只能使糖链不断延长，而不能形成新分支。当糖链长度达到12～18个葡萄糖基时，糖原分支酶将6～7个葡萄糖基组成的一段糖链转移到邻近的糖链上，以α-1，6糖苷键相连而形成新分支。新的分支点与邻近的分支点的距离至少有4个葡萄糖基（图3-65）。

糖原的分支的不断形成不仅可增加糖原的水溶性，更重要的是可增加非还原端的数目，有利于糖原的合成及分解代谢。无论是糖原磷酸化酶或糖原合成酶都以非还原性尾端基团为作用位点。

从葡萄糖合成糖原是耗能的过程。每分子葡萄糖磷酸化时消耗1分子ATP, UDPG的生成中再消耗1分子UTP（UDP+ATP→UTP+ADP）。因此，糖原合成时，糖原分子每增加1分子葡萄糖基需消耗2分子ATP。

（三）糖原分解与合成的调节

糖原合成和分解都是根据机体的需要由一系列的调节进行调控的。磷酸化酶和糖原合成酶的的作用都受到严格的调节。

骨骼肌中的糖原磷酸化酶有a、b两种变构状态，各自都具有活化状态（R）和钝化状态（T）两种形式。磷酸化酶a是相同亚基组成的四聚体，磷酸化酶b是二聚体。这两种磷酸化酶受可逆的磷酸化作用调节（共价调节）。在一般生理条件下，酶的活性主要决定于磷酸化和去磷酸化的速度（图3-66）。