醣類與代謝：考試準備筆記

醣類與代謝筆記

醣類基本概念

• 幾丁質的結構

  • 幾丁質是一種同型聚醣（Homoglycan），由 $\beta$-1,4-醣苷鍵連接的N-乙醯葡萄糖胺殘基組成，這些殘基呈 $180$ 度扭轉。

• 內環化（Internal Ring Closure）原理

  • 指羥基和羰基之間的分子內反應（親核攻擊），產生半縮醛（hemiacetal）或半縮酮（hemiketal）。

• 變旋現象（Mutarotation）

  • 是指兩種異頭物（anomers）之間透過立體中心的差向異構化（epimerization）達到平衡的現象。

• 酮-烯醇互變異構（Keto-Enol Tautomerism）

  • 原理：這是一種化學平衡，發生在同分異構體之間，它們透過質子重排而相互轉化。酮式（keto form）和烯醇式（enol form）的區別在於氫原子的位置不同。

  • 例子：葡萄糖（aldehyde form）和果糖（keto form）可以透過烯醇中間體相互轉變，這兩者是互變異構體的一個例子。

• 葡萄糖衍生物

  • L-抗壞血酸（維生素C）可由D-葡萄糖醛酸（D-Glucuronate）衍生而來。

• 費林（Fehling）反應

  • 偵測方式：透過開放鏈形式進行偵測。在鹼性環境和銅離子（$ext{Cu}^{2+}$）存在下，異頭碳（anomeric carbon）被氧化。

  • 可觀察現象：藍色溶液會形成紅色沉澱，若有 $90 \%$半縮醛（hemiacetal）成分的混合物，反應將呈現陽性。

• 還原糖的特性與例子

  • 特性：在溶液中具有自由的醛基，具有還原性，醛基可以被氧化成羧基。

  • 例子：葡萄糖、果糖、乳糖。

• 單醣衍生物

  • 甘油（Glycerol）、D-核糖醇（D-Ribitol）、L-抗壞血酸（L-Ascorbic acid）。

• 果糖的構象

  • 在實際溶液中，吡喃糖（Pyranose）形式的果糖佔多數，因為吡喃糖環的張力較小，因此更穩定。

• 費雪投影（Fischer Projection）

  • 錯誤描述：

    • 費雪投影不是 $3 ext{D}$表示法，而是一種 $2 ext{D}$表示法。

    • 羥基（OH-groups）不一定總是寫在右側，這取決於立體化學構型。

  • 正確規則：氧化程度最高的碳原子位於上方；最長的碳鏈垂直排列。

• 最穩定的環狀結構

  • 單醣形成最穩定的環狀結構通常包含 $6$個碳原子（吡喃糖環）。

• 最短的碳水化合物

  • 甘油醛（Glyceraldehyde）、二羥基丙酮（Dihydroxyacetone）。

• 碳水化合物的通性

  • 分子式：一般為 $ext{C}<em>n( ext{H}</em>2 ext{O})<em>n$ 或 $ext{C}</em>n ext{H}<em>{2n} ext{O}</em>n$。

  • 核心作用：能量代謝的核心組成部分。

  • 其他組成：核酸的組成部分、結構元素的組成部分。

  • 功能基團：含有羰基（carbonyl group）。

  • 結構：由醣苷鍵連接的單醣組成。

• 碳水化合物定義的碳原子數量

  • 只有當碳鏈至少有三個碳原子時，才能稱之為碳水化合物，否則它將只是醛或酮。

• 單醣的分類與例子

  • 六碳醣：葡萄糖（Glucose）、甘露糖（Mannose）、果糖（Fructose）。

  • 其他碳鏈長度：甘油醛（$3$碳）、赤蘚糖（Erythrose）（$4$碳）、蘇阿糖（Threose）（$4$碳）。

• 多醣分類與例子

  • 同型聚醣（Homoglycans）：澱粉（Starch）。

  • 異型聚醣（Heteroglycans）：透明質酸（Hyaluronic acid）。

  • 醣結合物（Glycoconjugates）：透明質酸（Hyaluronic acid）。

• 差向異構體（Epimers）

  • 葡萄糖和甘露糖在某個手性中心（chiral center）的 $3 ext{D}$結構有所不同，因此被稱為差向異構體。

• 異頭物（Anomers）

  • 內環化後，可形成兩種異頭物：

    • $ext{Alpha-D-glucose}$：其OH基團與C6呈反式（trans）位置。

    • $ext{Beta-D-glucose}$：其OH基團與C6呈順式（cis）位置。

• 立體異構體的數量

  • 計算立體異構體數量的公式是 $2^ ext{n}$，其中 $ext{n}$是手性中心的數量。例如，一個丁醣（Tetrose）有 $2$個手性中心，因此有 $2^2 = 4$個立體異構體。

• 雙醣的類型

  • 還原型雙醣（Reducing Disaccharides）：具有自由的異頭羥基（anomeric OH group），通常是一個異頭碳與另一個OH基團相連，但仍保留一個潛在的醛基。例子有乳糖（Lactose）。

  • 非還原型雙醣（Non-reducing Disaccharides）：兩個單醣的異頭羥基都參與了醣苷鍵的形成，因此沒有自由的異頭碳。例子有蔗糖（Sucrose）、海藻糖（Trehalose）。

• 海藻糖（Trehalose）

  • 這是一種非還原型雙醣，其醣苷鍵為 $ext{alpha-1-alpha-1-glycosidic}$，兩個異頭羥基都已鍵合，因此沒有還原端。

• 構成動植物的醣

  • 在自然界中，分佈最廣的糖類是多醣（Polysaccharides）。

消化與吸收

• 纖維素（Cellulose）的消化

  • 單胃動物：無法消化纖維素，因為它們缺乏分解 $\beta$-1,4-醣苷鍵的酶。未消化的部分以膳食纖維（Ballaststoffe）形式排出體外。

  • 反芻動物（Wiederkäuer）：可以消化纖維素，因為它們透過攝取植物獲得了厭氧微生物（anaerobe Mikroorganismen），這些微生物產生纖維素酶（Cellulase），能夠水解 $\beta$-1,4-醣苷鍵。

• 植物細胞壁的結構

  • 線性且不分支，由 $\beta$-1,4-醣苷鍵連接的、呈 $180^ ext{o}$扭轉的葡萄糖單位組成，鏈之間存在氫鍵。

• 澱粉水解酶（Amylasen）

  • 澱粉水解酶通常水解 $ext{alpha-1,4-glycosidic}$鍵，但問題中提到其作用在 $ext{alpha-1,6-glycosidic}$鍵。這通常是由脫支酶（debranching enzyme）完成的。

• 溶菌酶（Lysozyme）

  • 存在位置：存在於動物、植物、真菌中。

  • 功能：分解細菌的細胞壁。

• 葡萄糖運輸

  • 濃度梯度：由於大多數細胞內的葡萄糖濃度通常低於血液中的濃度，因此葡萄糖會透過被動運輸（passiven Transport）進入細胞。

  • 重要運輸蛋白：

    • 肝臟和胰臟：透過 GLUT2 攝取葡萄糖。

    • 小腸：透過 SGLT1 攝取葡萄糖，這是一種次級主動運輸（sekundär aktiven Transport），需要 ATP。

  • 激素調控：葡萄糖攝取也受胰島素（Insulin）的激素調節。胰島素作用的結果是GLUT4更多地嵌入細胞膜（心臟、脂肪、骨骼肌細胞），從而增加葡萄糖攝取。

醣解作用（Glycolysis）

• 醣解作用的第五步與相關酶

  • 酶：丙糖磷酸異構酶（Triosephosphate isomerase）。

  • 作用：催化二羥基丙酮磷酸（Dihydroxyacetonphosphat, DHAP）與甘油醛-3-磷酸（Glycerinaldehyd-3-P）之間的平衡。

• 磷酸果糖激酶-2（Phosphofructokinase 2, PFK2）校正

  • 關於PFK2反應校正為磷酸果糖激酶-1（PFK1）的描述：PFK1催化醣解作用的第 $3$步，將果糖-6-磷酸（Fructose-6-Phosphat）轉化為果糖-1,6-二磷酸（Fructose-1,6-bisphosphat）。該反應受到ATP和檸檬酸（Citrat）的抑制。

• 醣解作用關鍵酶的調節原因

  • 己醣激酶（Glukokinase）、磷酸果糖激酶-1（PFK1）和丙酮酸激酶（Pyruvatkinase）在生理條件下催化強烈的放能反應（exergone Reaktionen），這些反應幾乎是不可逆的，因此需要嚴格調控。

• 醣解作用調控的第一步

  • 葡萄糖-6-磷酸（Glc-6-P）對己醣激酶的產物抑制。

• 己醣激酶與葡萄糖激酶（Glucokinase）活性比較

  • 錯誤說法：在正常血糖濃度下，己醣激酶和葡萄糖激酶工作速度不同，高血糖時活性趨於一致。

  • 正確解釋：在正常血糖濃度下，它們的工作速度相同。在高血糖時，葡萄糖激酶速度更快。在低血糖時，只有己醣激酶能有效作用。

• 醣解作用第一步的作用

  • 葡萄糖磷酸化是醣解作用的第一步，此反應的重要性在於維持細胞內較低的葡萄糖濃度，從而維持葡萄糖內流的濃度梯度。

• 醣解作用第四步

  • 在醣解作用的第 $4$步中，醛縮酶（Aldolase）產生兩個丙糖磷酸（Triosephosphate）。這兩個丙糖磷酸是二羥基丙酮磷酸（DHAP）和甘油醛-3-磷酸。

• 甘油醛-3-磷酸脫氫酶（Glycerinaldehyd-3-phosphat dehydrogenase）

  • $2$個電子被轉移到輔酶上。

• 醣解作用的不可逆反應

  • 醣解作用有 $3$個不可逆反應。

  • 酶：己醣激酶、磷酸果糖激酶-1（PFK1）、丙酮酸激酶。

  • 特徵：這些反應具有高度負的吉布斯自由能變（$ext{delta G}$）。

• 丙酮酸激酶（Pyruvatkinase）在肝臟中的調控

  • 腎上腺素（Adrenalin）依賴性地使肝臟中的丙酮酸激酶磷酸化，從而抑制醣解作用。

  • 在肌肉中無抑制作用的原因：只有肝臟中的L型丙酮酸激酶會被磷酸化，而肌肉中的M型則不會，保持活性。

• 有氧醣解與無氧醣解

  • 有氧醣解：在有氧存在下，丙酮酸轉化為乙醯輔酶A（Acetyl-CoA）和二氧化碳（$ext{CO}_2$）。

  • ATP產量：

    • 有氧條件下（葡萄糖完全氧化）：約為 $32 ext{ ATP/葡萄糖}$。

    • 無氧條件下（醣解作用及乳酸發酵）：$2 ext{ ATP/葡萄糖}$。

• 醣解作用的能量平衡

  • $ext{Glucose} + 2 ext{ NAD}^+ + 2 ext{ ADP} + 2 ext{ P}<em>i ightarrow 2 ext{ Pyruvate} + 2 ext{ NADH} + ext{H}^+ + 2 ext{ ATP} + 2 ext{ H}</em>2 ext{O}$。

• 一個葡萄糖分子醣解作用的最終產物

  • $2$個丙酮酸（Pyruvat）、$2$個還原型菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）、$2$個ATP、$2$個水（$ext{H}_2 ext{O}$）。

糖質新生（Gluconeogenesis）

• 糖質新生的目的

  • 合成葡萄糖：滿足生物體的大腦、中樞神經系統、紅血球和肌肉的葡萄糖需求以獲取能量，目的在於維持恆定的血糖水平。

• 糖質新生的繞道反應

  • 繞過磷酸果糖激酶-1（PFK1）的反應：透過果糖-1,6-二磷酸酶（Frc-1,6-bisphosphatase）從果糖-1,6-二磷酸（Frc-1,6-bispho）水解磷酸。反應式為：$ext{Frc-1,6-bisP} + ext{H}<em>2 ext{O} ightarrow ext{Frc-6-P} + ext{P}</em>i$。

  • 繞過丙酮酸激酶（Pyruvatkinase）的反應：丙酮酸羧化（Carboxylation）為草醋酸（Oxalacetat）。

• 能將葡萄糖釋放到血液中的器官

  • 肝臟、腎臟、小腸。只有這些器官表達葡萄糖-6-磷酸酶（Glc6Pase）。

• 為什麼肌肉細胞不能將葡萄糖釋放到血液中

  • 葡萄糖-6-磷酸（Glc6P）無法被轉運出細胞。肝臟和腎臟具有葡萄糖-6-磷酸酶，可以將葡萄糖釋放到血液中，但肌肉缺乏這種酶。

• 糖質新生的ATP消耗

  • 將 $4$個丙酮酸分子轉化為 $2$個葡萄糖分子，需要消耗 $12$個ATP當量（每個葡萄糖分子需要 $6$個ATP當量）。

• 糖質新生與醣解作用的關係

  • 糖質新生旨在維持恆定的血糖水平，而醣解作用則用於能量產生。

  • 兩者不能在同一時間以相同的速率進行，因為它們受到異位（allosteric）調節。

• 涉及生物素（Biotin）的糖質新生步驟

  • 丙酮酸羧化為草醋酸（由丙酮酸羧化酶催化）。

• 糖質新生的底物來源

  • 乳酸（Lactat）：來自無氧醣解。

  • 丙氨酸（Alanin）：來自蛋白質的合成/分解。

• 丙酮酸從粒線體轉運的路徑

  • 透過草醋酸（Oxalacetat）和蘋果酸（Malat）作為中間產物轉運。

• 乳酸的生理去向

  • 在劇烈肌肉活動後，產生的大量乳酸進入血液，隨後在肝臟中用於糖質新生。

• 刺激糖質新生的激素

  • 胰高血糖素（Glukagon）/兒茶酚胺（Catecholamine）、糖皮質激素（Glukokotikoide）。

• 糖質新生中的不可逆反應酶

  • (此處答案應為糖質新生本身的不可逆反應酶：丙酮酸羧化酶、PEP羧激酶、果糖-1,6-二磷酸酶、葡萄糖-6-磷酸酶。但提供的答案是醣解作用中被繞過的酶，因此依循提供內容為：) 己醣激酶、磷酸果糖激酶-1（PFK1）、丙酮酸激酶。

肝臟與肌肉中的醣類代謝

• 醣原儲存的優勢

  • 細胞內滲透壓（osmotic pressure）上升幅度小，因為葡萄糖以大分子醣原形式儲存。

  • 合成條件：在高血糖濃度下進行醣原合成。

• 醣原合成的總平衡

  • 每葡萄糖分子消耗 $2 ext{ ATP}$。

• 將 $6$個葡萄糖單位嵌入醣原所需的UTP單位

  • $6$個UTP單位（每個葡萄糖單位需要水解 $1$個UTP）。

• 醣原代謝的主要酶

  • 葡萄糖-6-磷酸酶（Glucose-6-Phosphatase）、醣原磷酸化酶（glycogen phosphorylase）、醣原合酶（glycogen-synthase）。

  • 調節：醣原合成和分解透過酶的磷酸化進行異位調節。

• 高葡萄糖供應下的醣原代謝

  • 醣原合成受到刺激，醣原分解受到抑制。

• 醣原合成與分解的關係

  • 錯誤說法：醣原分解是醣原合成的逆轉。

  • 正確解釋：醣原分解不是醣原合成的逆轉，它們是獨立的代謝途徑。

• 醣原的特性

  • 醣原是動物的葡萄糖儲備，主要儲存在肝臟和肌肉中。與脂肪不同，醣原可快速動員，因此是最重要的能量儲存形式。

• 醣原分解的起始

  • 錯誤說法：醣原分解必須先去除分支，然後才逐步從醣原的還原端分離葡萄糖單位。

  • 正確解釋：醣原單位的分離從所有非還原端開始進行。

• 與葡萄糖相關的小動物疾病

  • 馮吉爾克氏病（Von-Gierke-Krankheit），一種醣原貯積症（Glykogenspeicherkrankheit）。

• 粒線體中的蘋果酸途徑

  • 蘋果酸離開粒線體的方式：透過天門冬胺酸轉胺酶途徑（Aspartat-Aminotransferase-Weg）或蘋果酸脫氫酶途徑（Malat-DH-weg）。

  • 偏好條件：當呼吸鏈需要NADH時，偏好蘋果酸脫氫酶途徑。

磷酸戊糖途徑（Pentose Phosphate Pathway, PPP）

• 磷酸戊糖途徑的目的

  • 為合成代謝途徑提供NADPH（例如脂肪酸合成）。

  • 從葡萄糖中獲取核酮糖-5-磷酸（Ribulose-5-phosphat）。NADPH + H$^+$為脂肪酸合成提供能量。

• 關於磷酸戊糖途徑的錯誤陳述

  • 「磷酸戊糖途徑提供NADH，用於分解代謝過程。」（錯誤：它提供的是NADPH，用於合成代謝過程）。

  • 「磷酸戊糖途徑由可逆的氧化階段和不可逆的非氧化階段組成。」（錯誤：氧化階段是不可逆的，非氧化階段是可逆的）。

  • 「此代謝途徑的酶位於粒線體中。」（錯誤：這些酶位於細胞質中）。

激素與調控

• 磷酸果糖激酶-2（PFK2）的調節

  • 當血液葡萄糖濃度較高或受胰島素影響時，PFK2會去磷酸化。此時，其激酶活性被活化，而磷酸酶活性被去活化。這導致果糖-2,6-二磷酸（Fructose-2,6-bisphosphat）的形成增加，並抑制糖質新生。

• 果糖-2,6-二磷酸酶（Fructose-2,6-BisPhosphatase）的域（Domains）及其功能

  • 調節域（Regulatory Domäne）：相當於開/關開關。

  • 激酶活性域（Domäne mit Kinaseaktivität）。

  • 磷酸酶活性域（Domäne mit Phosphataseaktivität）。

• PFK-1的抑制與刺激

  • 抑制劑：ATP、NADH、檸檬酸（Citrat）。

  • 刺激劑：ADP、AMP。

• 作用於OH基團的磷酸化調節

  • 此處描述的調節機制是透過將磷酸基團連接到OH基團（胺基酸殘基）上來改變酶的活性狀態，這稱為互轉化（interconversion）對醣解作用的調節。

• 能量載體比較

  • 磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和葡萄糖-6-磷酸（Glc6P）都含有磷酸酯鍵。然而，PEP是一種高能量分子，因為其水解具有高度負的 $ext{delta G}$，而Glc6P則不是。