本頁使用了標題或全文手工轉換

糖解作用

維基百科,自由的百科全書
前往: 導覽搜尋

糖解作用英語Glycolysis)是所有生物細胞糖代謝過程的第一步。在該過程中,一分子葡萄糖會經過十步酶促反應轉變成兩分子丙酮酸(嚴格來說,應該是丙酮酸鹽,即是丙酮酸的陰離子形式)。最著名和研究最徹底的糖解作用形式是雙磷酸己糖降解途徑(Embden-Meyerhof途徑)。另一途徑是去氧酮糖酸途徑(Entner-Doudoroff途徑),糖解作用一詞可以用來概括所有這些途徑,但在此卻是當作雙磷酸己糖降解途徑的同義詞。

糖解作用總覽

糖解作用的總反應式[編輯]

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

糖解作用的場所[編輯]

糖解作用在細胞的細胞質中進行。早先人們只知道糖在無氧環境下可降解為乳酸,但今天人們終於清楚知道,不論有氧還是無氧環境,糖會經過同樣的過程分解為丙酮酸。不同的則是在有氧條件下,丙酮酸被移出一分子的二氧化碳,剩餘的二碳以不穩定的鍵結連接至輔酶A(一種衍生自維生素B5的含硫化合物),形成具有異常活潑乙醯基(附著的乙酸鹽)的化學修飾物乙醯輔酶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細胞或組織(骨骼肌)中,丙酮酸會轉化成乳酸,或者像醣類被酵母分解那樣,轉化為乙醇二氧化碳(CO2)。在有氧環境下工作的組織(典型:心肌細胞)分解三碳的丙酮酸為乙醯輔酶A二氧化碳乙醯輔酶A會進一步行三羧酸循環分解為CO2和氫。氫會與氫載體菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+)和黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)結合成(NADH 和 FADH2)。在粒線體里進行的呼吸鏈,NADH和FADH的氧化會導致ATP的產生,能量會儲存在ATP的高能磷酸鍵供細胞使用。

糖解作用是唯一一條現代生物都具有的代謝途徑,出現時間很早。糖解作用最早可能發生在35億年前第一個原核生物中。

糖解作用步驟[編輯]

糖解作用的第一步是葡萄糖磷酸化6-磷酸葡萄糖。不同細胞類型中所含有的酶也不一樣,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]。磷酸化過程消耗一分子ATP,後面的過程證明,這是回報很豐厚的投資。細胞膜對葡萄糖通透,但對磷酸化產物6-磷酸葡萄糖不通透,後者在細胞內積聚並繼續反應,將反應平衡向有利於葡萄糖吸收的那一面推移。之後6-磷酸葡萄糖會在磷酸己糖異構酶的催化下生成6-磷酸果糖。(在此果糖也可通過磷酸化進入糖解作用途徑)

接著6-磷酸果糖會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則變為ADP。這裡的能量消耗是值得的,:首先此步反應使得糖解作用不可逆地繼續進行下去,另外,兩個磷酸基團可以進一步在醛縮酶的參與下分解為磷酸二羥丙酮3-磷酸甘油醛。磷酸二羥丙酮會在磷酸丙糖異構酶幫助下轉化為3-磷酸甘油醛。兩分子3-磷酸甘油醛會被NAD+和 3-磷酸甘油醛去氫酶(GAPDH)的氧化下生成1,3-二磷酸甘油酸

下一步反應,1,3-二磷酸甘油酸轉變為3-磷酸甘油酸。此反應由磷酸甘油酸激酶催化,高能磷酸鍵由1,3-二磷酸甘油酸轉移到ADP上,生成兩分子ATP。在此,糖解作用能量盈虧平衡。兩分子ATP消耗了又重新生成。ATP的合成需要ADP作原料。如果細胞內ATP多(ADP則會少),反應會在此步暫停,直到有足夠的ADP。這種反饋調節很重要,因為ATP就是不被使用,也會很快分解。反饋調節避免生產過量的ATP,節省了能量。磷酸甘油酸變位酶推動3-磷酸甘油酸生成2-磷酸甘油酸,最終成為磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸是高能化合物。最後,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。此步反應也受ADP調節。

反應順序[編輯]

可被分為十個步驟

準備階段[編輯]

通常視前五步為準備(或投入)階段,因為這些步驟消耗能量以將葡萄糖轉變為兩個丙糖磷酸,即甘油醛-3-磷酸和磷酸二羥丙酮。

糖解作用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,此反應的標準自由能變化\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,這種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。它對葡萄糖的米氏常數為5~10毫莫耳/升,比己糖激酶的0.1毫莫耳/升要高很多,根據米氏常數的意義,當葡萄糖濃度很高時它才作用。由於肝臟是糖原的重要生成器官,因此當血糖濃度增高時,肝臟中的葡萄糖激酶就運作,生成了葡萄糖-6-磷酸,肝臟以此合成肝糖原。然而,此酶的合成受到胰島素的誘導,因此,體內缺乏胰島素的糖尿病患者的肝臟中此酶的合成速率低,影響肝臟中葡萄糖轉變為葡萄糖-6-磷酸的速率,故分解葡萄糖以及合成肝糖原的過程受阻。

輔因子:鎂離子

D-葡萄糖 己糖激酶
一種轉移酶
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
 
 


糖解作用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)。

此反應的標準自由能變化\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 磷酸葡萄糖異構酶
一種異構酶
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。

此反應的標準自由能變化\Delta G^{\circ'}=-3.40千卡/莫耳,故為不可逆反應。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與AMP數量比的影響:當ATP過多時,ATP結合到酶的調控部位,酶的構象發生變化而受抑制;AMP會解除此酶的抑制,使其恢復高效狀態[2][3]。氫離子濃度對此酶也有抑制作用:當血液中的乳酸較多時,即氫離子濃度增高,這樣就抑制了酶,使得糖解作用效率下降,阻斷了糖解作用下游生成乳酸的途徑,因此這種調控有著重要的生理意義。

輔因子:Mg2+

β-D-果糖-6-磷酸 磷酸果糖激酶
一種轉移酶
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
 
 


前一步反應使得分子失穩,這使得己糖環可以被醛縮酶分成兩個丙糖:二羥丙酮磷酸,一種酮,以及甘油醛-3-磷酸,一種醛。有兩類醛縮酶:I類醛縮酶,存在於動物與植物中,以及II類醛縮酶,存在於真菌和細菌中;這兩類醛縮酶使用不同的機制切斷酮糖環。
β-D-果糖-1,6-二磷酸 果糖二磷酸醛縮酶
一種解離酶
D-甘油醛-3-磷酸 二羥丙酮磷酸
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


磷酸丙糖異構酶迅速將二羥丙酮磷酸互變為甘油醛-3-磷酸,後者進入糖解作用的後續步驟。這是非常有用的,因為它引導二羥丙酮磷酸進入與甘油醛-3-磷酸相同的途徑,簡化了調控。
二羥丙酮磷酸 磷酸丙糖異構酶
一種異構酶
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[編輯]

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會用於其他需能反應,而NADH則會進入呼吸鏈或作為還原劑參與細胞內其他還原加氫反應。

兩個丙糖分子被氧化並添加一分子無機磷酸,形成1,3-二磷酸甘油酸(1,3-BPG)。

被脫下的氫用於還原氫載體NAD+,形成NADH。

甘油醛-3-磷酸 (GADP) 甘油醛-3-磷酸去氫酶 (GAPDH)
一種氧化還原酶[4]
D-甘油酸-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
   
 
 


這步反應為磷酸甘油酸激酶將甘油酸-1,3-二磷酸的磷酸基團轉移至ATP,形成甘油酸-3-磷酸和一份子ATP,在這一步,糖解作用過程達到了能量收支平衡:2分子ATP在先前的反應中被消耗,而在這步反應中有兩分子ATP被合成。這步反應作為兩步受質階層磷酸化中的一步,以ADP作為受質,所以當細胞ATP水平較高時,該步反應被抑制;因此該步反應也是糖解作用過程中重要的控速步驟之一。
甘油酸-1,3-二磷酸 (1,3-BPG) 磷酸甘油酸激酶 (PGK)
轉移酶
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)


磷酸甘油酸變位酶催化形成甘油酸-2-磷酸.
甘油酸-3-磷酸 (3PG) 磷酸甘油酸變位酶 (PGM)
變位酶
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
 
 


烯醇化酶催化從甘油酸-2-磷酸轉化為磷酸烯醇式丙酮酸.

輔基: 兩個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)


最後一步受質階層磷酸化丙酮酸激酶催化,形成一份子丙酮酸和一分子ATP。

輔基: 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
 
 

糖解作用中的不可逆反應[編輯]

人體可通過葡萄糖新生,即從非糖化合物,如丙酮酸和乳酸等物質重新合成葡萄糖。當以丙酮酸為原料進行葡萄糖新生時,葡萄糖新生中的其中七步反應是糖解作用中的逆反應,它們有相同的酶催化。但是糖解作用中有三步反應,是不可逆反應。在葡萄糖新生時必須繞過這三步反應,代價是更多的能量消耗。

這三步反應都是強放能反應,它們分別是:

1 葡萄糖經已糖激酶催化生成6磷酸葡萄糖 ΔG= -33.5 kJ/mol

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

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

糖解作用中的調節位點[編輯]

糖解作用在體內可被精確調節,這樣一方面可以滿足機體對能量的需要,另一方面又不會造成浪費。同時,當細胞內還進行葡萄糖新生的時候,調節就顯得非常重要了,因為要避免空循環的發生。

調節是通過改變受質濃度,酶的活性實現的。

磷酸果糖激酶是其中最重要的限速酶,這也是巴斯德效應的關鍵參與者,它也決定了葡萄糖新生的速度,成為調節位點。AMP的濃度越高,酶的活性越高。就是當機體大量消耗了ATP,而相應又產生了很多AMP的時候,酶的活性提高,使得糖解作用按生成ATP的方向快速前進,以提高ATP產量。

NADH的去路[編輯]

在細胞中,NADH與NAD+是處於動態平衡的。在糖解作用過程中生成的NADH必須被進一步氧化,轉化為NAD+才能夠讓糖解作用持續進行。另外足夠的NAD+是3磷酸甘油醛成為1,3二磷酸甘油酸這一步反應重要的前提。在此過程中NAD+會被還原為NADH+H+,即是氫載體,通過穿梭將氫帶到呼吸鏈[5]

NAD+的再生可通過這三種不同的過程來實現。

  1. 乳酸去氫酶:由丙酮酸形成乳酸,此過程發生在骨骼肌及部分微生物中。
  2. 乙醇去氫酶:經丙酮酸脫羧酶將丙酮酸轉變為乙醛,再由乙醛經乙醇去氫酶催化還原形成乙醇,此過程發生在大多數植物和一些產乙醇的微生物中。人類基因組可以編碼乙醇去氫酶,但是並沒有編碼丙酮酸脫羧酶的基因,因此無法將丙酮酸轉化為乙醇。
  3. 粒線體穿梭:經粒線體穿梭途徑進入粒線體的呼吸鏈生成ATP。

能量轉化[編輯]

平衡點[編輯]

值得一提的是,生成1,6-二磷酸果糖後的大部分反應都是向能量升高的方向進行的,沒有酶(磷酸果糖激酶(PFK),磷酸甘油酸激酶(PGK))的催化 ,是不會自發進行的。而糖解作用的逆過程--葡萄糖新生(從甘油等非糖物質生成葡萄糖)則容易進行,此過程用到大部分在糖解作用裡面出現過的酶,除了提到的兩位「車夫」外,它們只出現在糖解作用中。在葡萄糖新生這兩步逆反應會放出大量的熱,分別為-14 及 -24 kJ/mol。

無氧環境和有氧環境的能量轉化[編輯]

在糖解作用中,每分子葡萄糖提供兩分子ATP。真核生物粒線體能同時從兩分子丙酮酸中另外獲得36分子ATP。能量轉化的多少取決於在細胞質中產生的NADH + H+通過粒線體膜的方式。

不論在無氧還是有氧環境中,糖解作用成丙酮酸這一過程都能進行。3-磷酸甘油醛在3-磷酸甘油醛去氫酶GAPDH的作用下去氫。脫下的氫離子會將氧化劑(輔酶)NAD+還原成NADH + H+。NAD+會在呼吸鏈中再生。若在無氧環境,放熱的(ΔGo´ = - 25 kJ/mol)乳糖去氫酶(LDH)反應會再生NAD+:丙酮酸的還原會生成乳糖和再生NAD+(酵母則會使用另外兩種酶—丙酮酸脫羧酶加乙醇去氫酶)。下圖可闡明此過程:

糖解作用中的NAD+和NADH+H+循環


無氧環境下糖解作用GAPDH-和 LDH-反應的相互聯繫,除了少部分NADH+H+會被磷酸甘油去氫酶(GDH)轉化外,大部分會用於再生NAD+

參考文獻[編輯]

  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. ^ 楊榮武 生物化學原理, 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

外部連結[編輯]