糖酵解

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糖酵解英语Glycolysis)是所有生物细胞糖代谢過程的第一步。在该过程中,一分子葡萄糖会经过十步酶促反应转变成两分子丙酮酸(严格来说,应该是丙酮酸盐,即是丙酮酸的阴离子形式)。最著名和研究最彻底的糖酵解形式是双磷酸己糖降解途径(Embden-Meyerhof途径)。另一途径是脱氧酮糖酸途径(Entner-Doudoroff途径),糖酵解一词可以用来概括所有这些途径,但在此却是当作双磷酸己糖降解途径的同义词。

糖酵解总览

糖酵解的总反应式[编辑]

C6H12O6 + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 H3PO4 → 2 NADH + 2 C3H4O3 + 2 ATP + 2 H2O + 2 H+

糖酵解的场所[编辑]

糖酵解在细胞的细胞质中进行。早先人们只知道糖在无氧环境下可降解为乳酸,但今天人们终于清楚知道,不论有氧还是无氧环境,糖会经过同样的过程分解为丙酮酸。不同的则是在有氧条件下,丙酮酸被移出一分子的二氧化碳,剩餘的二碳片段形成乙酸鹽,之後辅酶A(一種衍生自維生素B的含硫化合物)被以不穩定的鍵結連接至乙酸上,使得乙酰基(附著的乙酸鹽)異常活潑,此化學修飾物乙酰辅酶A,從而進入克氏循環(又稱檸檬酸循環或三羧酸循環)。

原核生物真核生物的大部分缺氧细胞或组织(骨骼肌)中,丙酮酸会转化成乳酸,或者像糖类被酵母分解那样,转化为乙醇二氧化碳(CO2)。在有氧环境下工作的组织(典型:心肌细胞)分解三碳的丙酮酸为乙酰辅酶A二氧化碳乙酰辅酶A会进一步行三羧酸循环分解为CO2和氢。氢会与氢载体烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)结合成(NADH 和 FADH2)。在线粒体里进行的呼吸链,NADH和FADH的氧化会导致ATP的产生,能量会储存在ATP的高能磷酸键供细胞使用。

糖酵解是唯一一条现代生物都具有的代谢途径,出现时间很早。糖酵解最早可能发生在35亿年前第一个原核生物中。

糖酵解步骤[编辑]

糖酵解的第一步是葡萄糖磷酸化6-磷酸葡萄糖。不同细胞类型中所含有的酶也不一样,在所有的細胞中,皆有己糖激酶進行催化,而在胰腺中,則另外含有一種稱為葡(萄)糖激酶(己糖激酶 IV)的酵素[1]。磷酸化过程消耗一分子ATP,后面的过程证明,这是回报很丰厚的投资。细胞膜对葡萄糖通透,但对磷酸化产物6-磷酸葡萄糖不通透,后者在细胞内积聚并继续反应,将反应平衡向有利于葡萄糖吸收的那一面推移。之后6-磷酸葡萄糖会在磷酸己糖异构酶的催化下生成6-磷酸果糖。(在此果糖也可通过磷酸化进入糖酵解途径)

接着6-磷酸果糖会在磷酸果糖激酶的作用下被一分子ATP磷酸化生成1,6-二磷酸果糖,ATP则变为ADP。这里的能量消耗是值得的,:首先此步反应使得糖酵解不可逆地继续进行下去,另外,两个磷酸基团可以进一步在醛缩酶的参与下分解为磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛。磷酸二羟丙酮会在磷酸丙糖异构酶帮助下转化为3-磷酸甘油醛。两分子3-磷酸甘油醛会被NAD+和 3-磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)的氧化下生成1,3-二磷酸甘油酸

下一步反应,1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸。此反应由磷酸甘油酸激酶催化,高能磷酸键由1,3-二磷酸甘油酸转移到ADP上,生成两分子ATP。在此,糖酵解能量盈亏平衡。两分子ATP消耗了又重新生成。ATP的合成需要ADP作原料。如果细胞内ATP多(ADP则会少),反应会在此步暂停,直到有足够的ADP。这种反馈调节很重要,因为ATP就是不被使用,也会很快分解。反馈调节避免生产过量的ATP,节省了能量。磷酸甘油酸变位酶推动3-磷酸甘油酸生成2-磷酸甘油酸,最终成为磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸是高能化合物。最后,在丙酮酸激酶的作用下磷酸烯醇式丙酮酸生成一分子ATP和丙酮酸。此步反应也受ADP调节。

反应顺序[编辑]

可被分为十个步骤

准备阶段[编辑]

通常视前五步为准备(或投入)阶段,因为这些步骤消耗能量以将葡萄糖转变为两个丙糖磷酸,即甘油醛-3-磷酸和磷酸二羟丙酮。

糖酵解準備階段的第一個步驟是將葡萄糖磷酸化,利用存於大部分動植物及微生物細胞內的己糖激酶所催化反應,此反应的标准自由能变化\Delta G^{\circ'}=-4.0千卡/莫耳,故這在胞內情況是不可逆的反應,將葡萄糖在6號碳處被ATP磷酸化,產生葡萄糖-6-磷酸

此步驟中的酵素,與己糖分子結合,本身的構形會發生改變,催化葡萄糖磷酸化,既然被命名為己糖激酶,代表其不僅僅催化右旋-葡萄糖,而也具備催化其他六碳的糖類,像是右旋-果糖以及右旋-甘露糖磷酸化的功能,而這種酶,以不同的同工酶存在於不同的生物體或組織中,在肌肉中,是一種調節性酶,當葡萄糖-6-磷酸和腺苷二磷酸的濃度超出正常值,便可以暫時的抑制己糖激酶,使之形成與利用的反應達到速率平衡。

肝臟中,存在於一種特殊的己糖激酶名叫葡萄糖激酶,这种酶只對葡萄糖有專一性,並不會與所有己糖發生作用,而且此酶並不受葡萄糖-6-磷酸的抑制作用。它对葡萄糖的米氏常数为5~10毫摩尔/升,比己糖激酶的0.1毫摩尔/升要高很多,根据米氏常数的意义,当葡萄糖浓度很高时它才作用。由于肝脏是糖原的重要生成器官,因此当血糖浓度增高时,肝脏中的葡萄糖激酶就运作,生成了葡萄糖-6-磷酸,肝脏以此合成肝糖原。然而,此酶的合成受到胰岛素的诱导,因此,体内缺乏胰岛素的糖尿病患者的肝脏中此酶的合成速率低,影响肝脏中葡萄糖转变为葡萄糖-6-磷酸的速率,故分解葡萄糖以及合成肝糖原的过程受阻。

辅因子:镁离子

D-葡萄糖 己糖激酶
一种转移酶
α-D-葡萄糖-6-磷酸
D-glucose wpmp.png   Alpha-D-glucose-6-phosphate wpmp.png
ATP H+ + ADP
Biochem reaction arrow forward YYNN horiz med.png
 
 


糖酵解第二個步驟為將葡萄糖-6-磷酸轉化為果糖-6-磷酸,此步驟由磷酸葡萄糖異構酶所催化,此酶主要由高度純化自肌肉分離而出。此酶將前一步驟產物葡萄糖-6-磷酸的氧原子,由1號碳移至2號碳,將其異化為果糖-6-磷酸(F6P)。

此反应的标准自由能变化\Delta G^{\circ'}=+0.4千卡/莫耳,由於自由能變化小,因此反應可往二側進行,而此異構酶亦須鎂離子,且對葡萄糖-6-磷酸及果糖-6-磷酸有專一性,由於產物F6P不斷被下一階段所消耗,造成F6P的濃度很低,反應往回進行的速率較低,若果糖-6-磷酸的濃度很高,反應將遵守勒沙特列原理,產生出葡萄糖-6-磷酸。

α-D-葡萄糖-6-磷酸 磷酸葡萄糖异构酶
一种异构酶
β-D-果糖-6-磷酸
Alpha-D-glucose-6-phosphate wpmp.png   Beta-D-fructose-6-phosphate wpmp.png
Biochem reaction arrow reversible NNNN horiz med.png
 
 
第三個步驟是將果糖-6-磷酸酸化為果糖-1,6-二磷酸,由磷酸果糖激酶所催化,這是糖解作用的第二個活化反應,將F6P的磷酸跟轉移到1號碳位置產生右旋-果糖-1,6-二磷酸。

此反应的标准自由能变化\Delta G^{\circ'}=-3.40千卡/莫耳,故为不可逆反应。此反應為糖解作用中,第二個重要的控制點,在細胞內磷酸果糖激酶反應為不可逆的。而磷酸果糖激酶,與果糖激酶一樣,屬於一種調節性酶,且為肌肉糖解作用中主要的調節性酶,受到ATP与AMP数量比的影响:当ATP过多时,ATP结合到酶的调控部位,酶的构象发生变化而受抑制;AMP会解除此酶的抑制,使其恢复高效状态[2][3]。氢离子浓度对此酶也有抑制作用:当血液中的乳酸较多时,即氢离子浓度增高,这样就抑制了酶,使得糖酵解效率下降,阻断了糖酵解下游生成乳酸的途径,因此这种调控有着重要的生理意义。

辅因子:Mg2+

β-D-果糖-6-磷酸 磷酸果糖激酶
一种转移酶
β-D-果糖-1,6-二磷酸
Beta-D-fructose-6-phosphate wpmp.png   Beta-D-fructose-1,6-bisphosphate wpmp.png
ATP H+ + ADP
Biochem reaction arrow forward YYNN horiz med.png
 
 


前一步反应使得分子失稳,这使得己糖环可以被醛缩酶分成两个丙糖:二羟丙酮磷酸,一种酮,以及甘油醛-3-磷酸,一种醛。有两类醛缩酶:I类醛缩酶,存在于动物与植物中,以及II类醛缩酶,存在于真菌和细菌中;这两类醛缩酶使用不同的机制切断酮糖环。
β-D-果糖-1,6-二磷酸 果糖二磷酸醛缩酶
一种裂合酶
D-甘油醛-3-磷酸 二羟丙酮磷酸
Beta-D-fructose-1,6-bisphosphate wpmp.png D-glyceraldehyde-3-phosphate wpmp.png + Glycerone-phosphate wpmp.png
Biochem reaction arrow reversible NNNN horiz med.png


磷酸丙糖异构酶迅速将二羟丙酮磷酸互变为甘油醛-3-磷酸,后者进入糖酵解的后续步骤。这是非常有用的,因为它引导二羟丙酮磷酸进入与甘油醛-3-磷酸相同的途径,简化了调控。
二羟丙酮磷酸 磷酸丙糖异构酶
一种异构酶
D-甘油醛-3-磷酸
Glycerone-phosphate wpmp.png   D-glyceraldehyde-3-phosphate wpmp.png
Biochem reaction arrow reversible NNNN horiz med.png
 
 

放能階段[编辑]

糖解作用的第二階段為放能階段,此階段的目的在於產生高能分子ATP和NADH。因為一個葡萄糖在準備階段時已經變成兩個丙糖,所以在放能階段中每個反應會發生兩次。最後產生2個NADH和4個ATP,使得單一葡萄糖在經過整個糖解作用後淨得2個NADH和2個ATP。ATP会用于其他需能反应,而NADH则会进入呼吸链或作为还原剂参与细胞内其他还原加氢反应。

两个丙糖分子被氧化并添加一分子无机磷酸,形成1,3-二磷酸甘油酸(1,3-BPG)。

被脱下的氢用于还原氢载体NAD+,形成NADH。

甘油醛-3-磷酸 (GADP) 甘油醛-3-磷酸脱氢酶 (GAPDH)
一种氧化还原酶[4]
D-甘油醛-1,3-二磷酸 (1,3BPG)
D-glyceraldehyde-3-phosphate wpmp.png   1,3-bisphospho-D-glycerate.svg
NAD+ + Pi NADH + H+
Biochem reaction arrow reversible YYYY horiz med.png
   
 
 


这步反应为磷酸甘油酸激酶将甘油酸-1,3-二磷酸的磷酸基团转移至ATP,形成甘油酸-3-磷酸和一份子ATP,在这一步,糖酵解过程达到了能量收支平衡:2分子ATP在先前的反应中被消耗,而在这步反应中有两分子ATP被合成。这步反应作为两步底物水平磷酸化中的一步,以ADP作为底物,所以当细胞ATP水平较高时,该步反应被抑制;因此该步反应也是糖酵解过程中重要的控速步骤之一。
甘油酸-1,3-二磷酸 (1,3-BPG) 磷酸甘油酸激酶 (PGK)
转移酶
甘油酸-3-磷酸 (3-P-G)
1,3-bisphospho-D-glycerate.svg   3-phospho-D-glycerate trulyglycerate wpmp.png
ADP ATP
Biochem reaction arrow reversible YYYY horiz med.png
   
 
  磷酸甘油酸激酶 (PGK)


磷酸甘油酸变位酶催化形成甘油酸-2-磷酸.
甘油酸-3-磷酸 (3PG) 磷酸甘油酸变位酶 (PGM)
变位酶
甘油酸-2-磷酸 (2PG)
3-phospho-D-glycerate trulyglycerate wpmp.png   2-phospho-D-glycerate wpmp.png
Biochem reaction arrow reversible NNNN horiz med.png
 
 


烯醇化酶催化从甘油酸-2-磷酸转化为磷酸烯醇式丙酮酸.

辅基: 两个Mg2+:

甘油酸-2-磷酸 (2PG) 烯醇化酶 (ENO)
裂解酶
磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP)
2-phospho-D-glycerate wpmp.png   Phosphoenolpyruvate wpmp.png
H2O
Biochem reaction arrow reversible NYYN horiz med.png
 
 
  烯醇化酶 (ENO)


最后一步底物水平磷酸化丙酮酸激酶催化,形成一份子丙酮酸和一分子ATP。

辅基: Mg2+

磷酸烯醇式丙酮酸PEP 丙酮酸激酶PK
丙酮酸Pyr
Phosphoenolpyruvate wpmp.png   Pyruvate wpmp.png
ADP + H+ ATP
Biochem reaction arrow forward YYNN horiz med.png
 
 

糖酵解中的不可逆反应[编辑]

人体可通过糖异生,即从非糖化合物,如丙酮酸和乳酸等物质重新合成葡萄糖。当以丙酮酸为原料进行糖异生时,糖异生中的其中七步反应是糖酵解中的逆反应,它们有相同的酶催化。但是糖酵解中有三步反应,是不可逆反应。在糖异生时必须绕过这三步反应,代价是更多的能量消耗。

这三步反应都是强放能反应,它们分别是:

1 葡萄糖经已糖激酶催化生成6磷酸葡萄糖 ΔG= -33.5 kJ/mol

2 6磷酸果糖经磷酸果糖激酶催化生成1,6二磷酸果糖 ΔG= -22.2 kJ/mol

3 磷酸烯醇式丙酮酸经丙酮酸激酶生成丙酮酸 ΔG= -16.7 kJ/mol

糖酵解中的调节位点[编辑]

糖酵解在体内可被精确调节,这样一方面可以满足机体对能量的需要,另一方面又不会造成浪费。同时,当细胞内还进行糖异生的时候,调节就显得非常重要了,因为要避免空循环的发生。

调节是通过改变底物浓度,酶的活性实现的。

磷酸果糖激酶是其中最重要的限速酶,这也是巴斯德效应的关键参与者,它也决定了糖异生的速度,成为调节位点。AMP的浓度越高,酶的活性越高。就是当机体大量消耗了ATP,而相应又产生了很多AMP的时候,酶的活性提高,使得糖酵解按生成ATP的方向快速前进,以提高ATP产量。

NADH的去路[编辑]

在细胞中,NADH与NAD+是处于动态平衡的。在糖酵解过程中生成的NADH必须被进一步氧化,转化为NAD+才能够让糖酵解持续进行。另外足够的NAD+是3磷酸甘油醛成为1,3二磷酸甘油酸这一步反应重要的前提。在此过程中NAD+会被还原为NADH+H+,即是氢载体,通过穿梭将氢带到呼吸链[5]

NAD+的再生可通过这三种不同的过程来实现。

  1. 乳酸脱氢酶:由丙酮酸形成乳酸,此过程发生在骨骼肌及部分微生物中。
  2. 乙醇脱氢酶:经丙酮酸脱羧酶将丙酮酸转变为乙醛,再由乙醛经乙醇脱氢酶催化还原形成乙醇,此过程发生在大多数植物和一些产乙醇的微生物中。人类基因组可以编码乙醇脱氢酶,但是并没有编码丙酮酸脱羧酶的基因,因此无法将丙酮酸转化为乙醇。
  3. 线粒体穿梭:经线粒体穿梭途径进入线粒体的呼吸链生成ATP。

能量转化[编辑]

平衡点[编辑]

值得一提的是,生成1,6-二磷酸果糖后的大部分反应都是向能量升高的方向进行的,没有酶(磷酸果糖激酶(PFK),磷酸甘油酸激酶(PGK))的催化 ,是不会自发进行的。而糖酵解的逆过程--糖异生(从甘油等非糖物质生成葡萄糖)则容易进行,此过程用到大部分在糖酵解里面出现过的酶,除了提到的两位“车夫”外,它们只出现在糖酵解中。在糖异生这两步逆反应会放出大量的热,分别为-14 及 -24 kJ/mol。

无氧环境和有氧环境的能量转化[编辑]

在糖酵解中,每分子葡萄糖提供两分子ATP。真核生物线粒体能同时从两分子丙酮酸中另外获得36分子ATP。能量转化的多少取决于在细胞质中产生的NADH + H+通过线粒体膜的方式。

不论在无氧还是有氧环境中,糖酵解成丙酮酸这一过程都能进行。3-磷酸甘油醛在3-磷酸甘油醛脱氢酶GAPDH的作用下脱氢。脱下的氢离子会将氧化剂(辅酶)NAD+还原成NADH + H+。NAD+会在呼吸链中再生。若在无氧环境,放热的(ΔGo´ = - 25 kJ/mol)乳糖脱氢酶(LDH)反应会再生NAD+:丙酮酸的还原会生成乳糖和再生NAD+(酵母则会使用另外两种酶—丙酮酸脱羧酶加乙醇脱氢酶)。下图可阐明此过程:

糖酵解中的NAD+和NADH+H+循环


无氧环境下糖酵解GAPDH-和 LDH-反应的相互联系,除了少部分NADH+H+会被磷酸甘油脱氢酶(GDH)转化外,大部分会用于再生NAD+

参考文献[编辑]

  1. ^ David L. Nelson & Michael M. cox. Lehinger. Principles of Biochemistry. 4th edition. Freeman. ISBN 0-7167-4339-6.
  2. ^ Reeves, R. E.; South D. J., Blytt H. J. and Warren L. G. Pyrophosphate: D-fructose 6-phosphate 1-phosphotransferase. A new enzyme with the glycolytic function 6-phosphate 1-phosphotransferase. J Biol Chem. 1974, 249 (24): 7737–7741. PMID 4372217. 
  3. ^ Selig, M.; Xavier K. B., Santos H. and Schönheit P. Comparative analysis of Embden-Meyerhof and Entner-Doudoroff glycolytic pathways in hyperthermophilic archaea and the bacterium Thermotoga. Arch Microbiol. 1997, 167 (4): 217–232. PMID 9075622. 
  4. ^ 杨荣武 生物化学原理, 高等教育出版社, 2006. ISBN 7-04-019260-8
  5. ^ Stryer et al. Biochemistry, WH Freeman Complany, 2006. ISBN 0-71-678724-5

外部链接[编辑]