生合成概论

生合成概论——翻译

碳水化合物

糖代谢过程中的一些基本变体已被详尽论述，接下来描述单糖，寡糖，多糖的特殊例子。紧接着氨基糖的结构引发了氨基糖苷类抗生素的争论，提供药物试剂诸如单糖，双糖，VC，多糖，氨基糖苷类抗生素的详细数据的专题论文基本上都是关于链霉胺，2-脱氧链霉胺，阿卡波糖，林可霉素，率林可霉素。

糖的生物合成和分解的主要途径是新陈代谢过程中的一个重要部分，它是所有生物体必不可少的。糖在动物，植物，微生物体中含量最高。多聚糖就如同重要的能量和构成细胞壁的结构组成，动物和大多数微生物依赖于植物合成的糖。

糖不但是光合作用的第一个产物，也是植物合成能量以及其他化学成分的产物，这些产物便是其他生物体的食物。第二代谢产物也完全来源于糖的代谢作用，而且，甲羟戊酸盐和脱氧木酮糖磷酸盐到基本代谢的作用已被指明。

在以前的章节中我们已经知道糖的第二级代谢结构中包含糖的部分例如糖苷的结构。在这一章中，由于一些群分的天然物质完全或主要由糖单位构成而引起议论，由于其广泛的药用作用一些无内在活性而有明确的代谢反应的物质如蔗糖和淀粉液在讨论范围之内。

单糖

五碳糖（戊糖）和六碳糖（己糖）是自然界中最常见的单糖。光合作用最初产生2分子三碳糖—3-磷酸甘油醛，在一系列糖酵解反应中用

来合成6-磷酸葡萄糖。（图8.1)

其中，由于加尔文循环的复杂反应，3-磷酸甘油醛用于合成5-磷酸核糖，5-磷酸核酮糖，5-磷酸木酮糖。在这一系列合成反应中，一些基本反应用于单糖结构的生化试验操作中。

在单糖的磷酸盐分子中改变磷酸集团的位置而发生突变，如同分异构体6-磷酸葡萄糖和1-磷酸葡萄糖（图8.2)。转化即在任一手性中心上改变其立体化学结构，如互变异构体5-磷酸核酮糖和5-磷酸木酮糖的相互转化（图8.3）。

这个反应将邻近的羧基转化而可能得到一个互变异构体，但其余一些一致的转化的进行时通过氧化成中间体，而后被还原为相反的构型，转化的底物基质通常是UDP而不是磷酸核糖。

醛糖—酮糖的转化，如6-磷酸葡萄糖转化为6-磷酸果糖中间也经过一个中间体（图8.4）。

在反应中分别通过转酮酶和转醛酶的催化转移C2和C3的位置来改变糖的链长。转酮酶通过与硫胺双磷酸结合从像6-磷酸果糖这样的酮醇上切下一个两个碳的片段（也可以从5-磷酸木酮糖或景天庚酮糖这么做）。

硫胺双磷酸盐对于羰基的亲核攻击产生一个加成产物，此产物通过逆羟醛缩合反应裂解成片段，生成短链的醛糖：4-磷酸赤藓糖以及与TPP相连的两个碳的碳负离子（图8.5）

随后，与这种反应形式上相反此碳负离子可以进攻另外一个醛糖，例如5-磷酸核糖（4-磷酸赤藓糖与3-磷酸甘油醛可供选择代替）因此在

这个碳链上演唱了两个碳原子。转醛酶从酮糖中转移了一个三碳片段，例如7-磷酸景天庚酮糖（6-磷酸果糖可代替）的逆羟醛缩合反应 可是这需要羰基和一个活性赖氨酸及希夫碱的组成。

氧化还原反应，典型的有利用NAD/NADP核苷酸改变底物的氧化状态。在C1位上发生氧化反应则会使醛糖变为醛糖酸。例如，6-磷 酸葡萄糖转变为6-磷酸葡萄糖酸内酯（图8.7）。在C6上发生氧化则会产生相应的糖醛酸，在尿苷-5’-二磷酸糖衍生物就会发生此种氧化。例如，尿苷二磷酸葡萄糖转变成尿苷二磷酸葡萄糖醛酸（图8.8）。还原作用则可通过将葡萄糖果糖转变为山梨醇及将甘露糖转变为甘露醇得出例证。

氨基转移作用是在酮糖上引入氨基团正如氨基葡萄糖和氨基半乳糖所见（图8.10），这些化合物就像它们的N-乙酰基衍生物，为一些天然多糖结构的一部分。还有一些不常见的氨基糖为氨基糖苷类抗生素的组成部分。

单糖结构会被描述成单链形式或者以环状半缩醛与半缩酮形式展示它们的羰基特征，这些化合物主要以循环物质的形式存在着，它们来自于恰当的羟基对羰基的亲核攻击（图8.10）。无论是六环结构的糖还是五环的糖，环的大小的特殊性通常是任何一个糖所独有的。 因为羰基可被从两侧攻击，在任何情况下都会存在异构体（差向异构体），在溶液中，这两种异构体处于动态平衡中。在天然产物中，糖单元大部分是以其中一种异构体的形式存在的。这两种形式作为手性的基础存在于异构中心和大量的手性中心中。

如果它们端基相同就称为β，不同就称为α。最常见的单糖以及它们常见的异构体如图8.12所示。注释：在手性基础中，D-，L-异构体具有最高的手性中心，如D-（R）-（+）甘油醛和L-（S）-甘油醛。

低聚糖

低聚糖（通常2-5个单位）和多聚糖的结构取决于核苷二磷酸相联有活性的糖的多少。通常核苷二磷酸的缩写是UDP，有时也会使用ADP和GDP。UDP糖通过蔗糖1-磷酸盐与UTP反应产生，通过合适的亲核试剂置换出UDP离去基团从而产生这种新的糖衍生物。许多葡萄糖单体，也包括与酶有关的亲核基团之间的键事实上都是α-构型，由两次Sn2机制产生，这些键通常都是短键，表明相关原子和构型在适当的中心。所以，麦芽糖，淀粉的水解产物包含两个α1-4葡萄糖。蔗糖由葡萄糖和果糖组成，然而它们的异构中心相联，所以简便表示成α1-β2。这表示两个半缩醛结构阻碍了开口。与麦芽糖和乳糖相反，没有开链形式，长期以来以环状形式平衡，所以蔗糖不显示任何与隐藏的羰基相联的特性，如它不是一个还原糖。已知蔗糖主要是由图8.16所示的一系列经过轻微修饰的反应形成的，其中UDP葡萄被6-磷酸果糖攻击，这样第一个产物就是6-F-磷酸蔗糖（F代表葡萄糖环的编号），磷酸水解后产生蔗糖。

单糖和二糖

D-葡萄糖（右旋糖）（图8.9）是在葡萄和其他水果中产生的，它通常通过酶水解淀粉而获得，被用作营养物质，部分应用于输液剂。葡萄糖被氧化后产生葡萄糖醛酸，可溶性的钙盐-葡萄糖酸钙被用作一种

静脉注射的补钙剂。D-果糖（图8.13）通常是通过从葡萄糖中分离转化糖而获得的，并作为一食品和甜料用于不能承受葡萄糖的病人，如糖尿病患者。果糖有蔗糖的甜味，甜度大约是葡萄糖的两倍。高果糖的玉米糖浆被用作一种甜食，它是由果糖和葡萄糖组成的混合物，其中果糖含量位90%，它是通过淀粉的酶水解/异构化产生的。山梨醇糖是在山白蜡树的成熟浆果中天然产生的，但可以由葡萄糖半合成制备。它的甜度是蔗糖的一半，不能口服吸收，而且在体内不能完全代谢。它被部分用作糖尿病产品的一种甜料。D-甘露醇（图8.9）也是有葡萄糖制得的，不过是在花白蜡树的溶出物中天然生成的。该物质与山梨醇有同样的性质，但主要用作利尿药。它被静脉注射后，迅速消除到尿中，并通过渗透作用排除体液。

蔗糖是从多种材料中获得的，包括甘蔗，甜菜和槭树。它是食物，糖浆和药物辅料中的标准甜味成分。转化糖是葡萄糖和果糖的等摩尔混合物，是通过蔗糖的酸性水解或转化酶水解而获得的，在这个过程中，光学活动从“+”变为“—”，因此是旋光的参考。果糖与葡萄糖的组合有着很高的甜度，这意味着转化糖提供了一种比蔗糖更便宜，更低热量的可食用甜料。蜂蜜的主要成分也是转化糖。乳糖在哺乳动物的乳汁中含量可达8%，是从牛奶中提取的，通常作为人工奶酪的副产品。它只有微弱的甜味，主要用作片剂的稀释剂。乳果糖（图8.15）是由乳糖制备的半合成的二糖，由半乳糖和果糖通过β1-4糖苷键连接组成。它不能通过胃肠道吸收，大部分都无变化地排出。它通过渗透作用帮助肠道保留体液，因而被用作泻药。

维生素C

维生素C（抗坏血酸）（图8.17）可在大多数动物体内合成，但人类，其他灵长类动物，豚鼠，蝙蝠和一些鸟类不能，它们主要通过食物摄取。柑橘类水果，胡椒，番石榴，玫瑰果和黑醋栗尤其富含，但它在多数新鲜水果和蔬菜中都含有。柑橘类水果提供了一种良好的日常来源，它是一种水溶性的酸性混合物（一种烯醇，见图8.18），在曝露于空气的烹饪过程中会快速降解。缺乏维生素C会导致坏血病，特征是肌肉酸痛，皮肤病变，血管脆弱，牙龈出血和牙齿脱落。该维生素是构成胶原，皮肤中主要结构蛋白，骨骼肌腱和韧带的必需物质，是脯氨酸羟基化位4-羟基脯氨酸和赖氨酸羟基化为5-羟基赖氨酸的辅助因子。它在胶原中的含量高达25%。这些反应是由2-氧代戊二酸盐二氧化酶催化的，而抗坏血酸是减少酶-铁氧复合体的所需物质。坏血病的特征皮肤病变是缺乏抗坏血酸导致在胶原结构合成中羟基化水平低的直接结果。抗坏血酸也与酪氨酸羟基化为儿茶酚胺途径有关，同样也在高龙胆酸-维生素E和质体醌的前体的生物合成有关。抗坏血酸经常被合成制备，用于治疗或预防其缺乏症。天然的抗坏血酸是从玫瑰果，柿子和柑橘类水果中提取的。在手术或烧伤后大量给与维生素C可通过增加胶原合成而加速伤口愈合。服用大剂量的维生素C能够减缓普通的感冒和其他病毒感染的设想还未被证实。

多糖

多糖在活体组织中履行两个主要功能—作为食物储备和作为结构元素。植物蓄积淀粉作为它们主要的食物储备。另外，对于α1-4糖苷

键，支链淀粉大约在20个单位处有通过α1-6糖苷键相连的支链。这些支链会以α1-4糖苷键继续结合，可能有子支链，形成一个树形结构。哺乳动物的储存形式是糖原，它们结构与支链淀粉相似，但是更大，而且包括更多的支链，大约每10个残基就有一个。支链淀粉和糖原的支链都是通过几个葡萄糖残基组成的α1-4直链经酶部分去除后转移至合适的6-羟基上而形成的。在菊科植物中发现了一个较不常见的多糖—菊糖。它是一个相对较小的呋喃果糖聚合体，通过β2-1键结合。纤维素是植物细胞壁的主要组成部分，它是由吡喃型葡萄糖单位通过β1-4糖苷键结合成的直链。甲壳质虽然由β1-4结合的N-乙酰葡萄糖胺残基组成，但它与纤维素很相似。甲壳质是甲壳动物贝壳的主要成分。细菌细胞壁包括肽聚糖结构，在这些结构中N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸是交联的。金葡菌肽聚糖中N-乙酰胞壁酸的乳酰基通过酰胺/肽键与糖结合。在交联过程中N-乙酰胞壁酸残基的肽链有一个终点—赖氨酸—D—丙氨酸—D—丙氨酸序列，一条链的赖氨酸通过五个甘氨酸残基与另一条链倒数第二位的D—丙氨酸结合，同时取代末位的D—丙氨酸。β-内酰胺类抗生素（如盘尼西林和头孢菌素）及万古霉素的生物活性系统在细菌细胞壁的生物合成中通过交叉相连机理的抑制作用被分离出来，这一步与-D-Ala -D-Ala的合成末期有关。

根据肽聚糖细胞壁被革兰染色能力的区别，将细菌细分为革兰阳性和葛兰阴性。在革兰阴性的生物组织中包围在肽聚糖外的一层脂多糖细胞膜防止了染色剂对其染色。

糖醛酸的聚合体与果胶相结合组成了半乳糖醛酸残链α1-4的基本结构（见图8.21），这在一些羧基组群中可表现为甲基酯。这些物质存在于水果的细胞壁中，而水溶性基质溶解于酸性条件下形成胶体的性质是果酱制作的原理。藻酸盐是由甘露糖醛酸基通过β1-4连接聚合而成的，这也是棕海藻细胞壁的主要成分。多种藻酸盐对于食品工业的发展是很有价值的而其中的不溶性钙盐史可吸收的藻酸盐外科包扎的基础。哺乳动物的抗凝血剂肝素同样是一种含有糖醛酸残基的碳水化合物聚合体，但这些随着糖蛋白衍生物的不同而不同。

多糖

医用和药用淀粉可从多种植物中获得，包括玉米，小麦，马铃薯，水稻以及竹笋。这些作用多含有25%的直链淀粉和75%的支链淀粉，但含量在同一种作物随部位不同有所变化。

淀粉广泛应用于食品业中，在制药业也有大量应用，淀粉的可吸收特性使其成为一种理想的粉末，同时利用淀粉在水中膨胀的特性，可制成很好的成形辅助剂，构成片剂崩解的基础。通过酸的部分水解作用，可以得到可溶性淀粉，这种淀粉完全溶解于热水中。

纤维素可从木质纸浆中提取出来，并可与酸作用部分水解生成纤维素的微小晶体，这种物质可用作药片的稀释剂。部分人工合成的纤维素的衍生物如甲基纤维素，羟甲基纤维素和羧甲基纤维素，可用作乳化剂和助悬剂。将纤维素水解产物的一半乙酯化，另一半与邻苯二甲酸进行酯化作用，就能生成celluloseacetatephthalate，这种物质用于肠衣片和胶囊的抗酸成分，而藻酸盐可以从一种显碱性的棕海草中获

取。这种海草主要为欧洲的昆布和褐藻以及美国西海岸的macroystis，这种藻类中，碳水化合物占其肝重量的20%-40%。通常将藻胶酸转化为它的钠盐和不溶盐。其中藻胶酸钠可在多种领域用作稳定剂和增厚剂，尤其是食品制造和制药业中更有广泛应用，因为其有助于乳酯，软膏和片剂的成型。藻胶酸钙则是多种可吸收性的外伤止血纱布的主要成分，将藻胶酸或其盐加入到铝镁反酸药物中可防止药物由胃向食道逆反。通过胃酸作用释放出的藻胶酸可以在胃内形成一层保护膜。 用热的稀酸可以从多种红海藻中提取一种碳水化合物，这就是琼脂。这些海藻主要包括生于日本，西班牙，澳大利亚和美国的gelidium和gracilaria。琼脂由多种聚合体组成，主要可分为两部分：琼脂糖和琼脂胶。琼脂糖包括相交替的β1-3键的D-半乳糖和α1-4链的L-半乳糖，同时也有3，6-去氧形式的L-糖。琼脂糖水解生成D-和L-的半乳糖。琼脂胶在结构上与琼脂糖很像，但琼脂胶里含有一些甲醇化和硫化的残基，而且可能与丙酮酸作用生成缩酮环状结构。由琼脂的凝胶化特性已知这种物质主要应用于细菌培养液中。同时琼脂在某些情况下也可用作助悬剂。琼脂糖目前用作吸附色谱的载物。

特拉加康斯树胶是一种干燥的粘性分泌物，它主要从astragalous gummifer以及其他astragalous物种中获得的。这是一种来自于伊朗，叙利亚，希腊和土耳其的小型灌木，将其茎部切开便可获得这种胶。这种物质遇水膨胀，可制成一种粘性极高的硬性粘液，提供很好的助悬和结合作用。

阿拉伯胶是一种干质树胶，它可以从大量生长于苏丹和中非及西非的

阿拉伯胶远志树脂中获得。将该植物的树皮剥下一部分用导管便可以引出这种树胶。这种物质可用作助悬剂以及片剂的粘合剂。这种胶中包含的一些酶在合成反应中如不加热使其失活，就有可能出现问题。 刺梧桐或梧桐科树脂是从在印度发现的sterculia urens或其他种类梧桐科的树干中获取的干树脂。它是天然渗出或从树皮上的切口获得的。它含有一种可分的多糖，包括L-鼠李糖，D-半乳糖以及高比例的D-半乳糖醛酸和D-葡萄糖醛酸残基，多用作轻泻药，还被用作混悬成分。环状/圆形的净化树脂被用于为造口袋和病人皮肤间提供无刺激的密封。

肝素通常是从牛肺或猪肠的粘膜中提取的，存在于肥大的细胞之中。它是一种抗凝剂，在临床上用于预防或治疗深度血栓。它通过注射或静脉输液给药并能迅速发挥作用。它在体外也有作用，在实验准备中被用于防止血液凝固。肝素与血液中的与凝血过程有关的酶协同作用。尽管严格的讲不是一种酶抑制剂，但它能通过形成三重复合物加速凝血酶和抗凝血酶3之间的自然抑制过程。一个详细的五糖序列包括一个3-氧硫代化D-氨基葡萄糖残基，对于抗凝血功能是必需的。天然肝素是一种粘多糖的混合物，其中只有一小部分分子是所需的序列，而且它的作用时间相对较短。通过化学方法或酶催化方法将天然肝素部分水解，可以使一系列低分子量肝素有同样的功效但作用时间更长。舍托肝素，达肝素，依诺肝素和亭扎肝素就是其中应用于临床的几个例子。

鱼精蛋白是一种在鲑鱼科如斑鳟属和嗜水气单胞菌中检测到的基本

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