第22章　糖酵解作用

22.1　復習筆記

一、糖酵解過程概述

1．ATP兩種形成途徑

（1）由葡萄糖徹底氧化為CO₂和水并釋放出大量ATP；

（2）是在無氧條件下，由葡萄糖降解為丙酮酸，并在此過程中產生2分子ATP。

2．糖酵解概念

糖酵解是指無氧條件下葡萄糖進行分解，1個葡萄糖分子形成2分子丙酮酸并提供能量的過程。

（1）有氧條件丙酮酸進入線粒體，經三羧酸循環徹底氧化生成CO₂和H₂O。

（2）無氧條件下丙酮酸由NADH還原成乳酸，高等動物肌肉組織中糖酵解最終產物為乳酸。

酵解作用的反應式為

酒精發酵作用的反應式：

3．糖酵解過程的劃分

從葡萄糖轉變為乳酸是物質的分解過程，其中伴隨有自由能的釋放，即放能過程；

ADP和無機磷酸形成ATP，則是吸收能量的過程。

4．糖酵解的生理意義

糖酵解過程由葡萄糖到所有的中間產物都是以磷酸化合物的形式來實現的。中間產物磷酸化至少有三種意義：

（1）帶有負電荷的磷酸基團使中間產物具有極性，從而不易透過脂膜而失散；

磷酸基團在各反應步驟中，對酶來說起到信號基團的作用，有利于與酶結合而被催化；

磷酸基團經酵解作用后，最終形成ATP的末端磷酸基團，因此具有保存能量的作用。

5．糖酵解的步驟

糖酵解過程從葡萄糖到形成丙酮酸共包括10步反應，可劃分為兩個主要階段。前5步為準備階段，反應過程如圖22-1所示。

圖22-1  糖酵解的準備階段

后5步為產生ATP的貯能階段。磷酸三碳糖轉變成丙酮酸。每分子三碳糖產生2分子ATP。整個過程需要10種酶。這些酶都存在于胞質溶膠中，大部分過程都有Mg2＋離子作為輔助因子。

二、糖酵解和酒精發酵的全過程圖解

酵解和酒精發酵基本路線完全相同，只是在形成丙酮酸以后才有差異。丙酮酸轉化為乳酸時稱為酵解；丙酮酸轉化為乙醛、乙醇時，稱為發酵。糖酵解和發酵的全過程如圖22-2所示。

圖22-2  糖酵解和發酵的全過程圖解

圖中數字代表：（1）己糖激酶（2）磷酸葡萄糖異構酶（3）磷酸果糖激酶（4）醛縮酶（5）磷酸丙糖異構酶（6）磷酸甘油醛脫氫酶（7）磷酸甘油酸激酶（8）磷酸甘油酸變位酶（9）烯醇化酶（10）丙酮酸激酶（11）非酶促反應（12）乳酸脫氫酶（13）丙酮酸脫羧酶（14）乙醇脫氫酶

三、糖酵解第一階段的反應機制

1．葡萄糖的磷酸化

（1）反應式為

葡萄糖發生酵解作用的第一步是D-葡萄糖分子在第6位的磷酸化，形成葡萄糖-6-磷酸，可簡寫為G6P。這是一個磷酸基團轉移的反應，即ATP的磷酸基團在己糖激酶催化下轉移到葡萄糖分子上。此反應必須有Mg2＋的存在。

（2）葡萄糖與ATP的反應機制

反應中葡萄糖第6位碳原子上的羥基氧原子上有一孤電子對，它向Mg2＋-ATP的γ-磷原子進攻使得γ-磷原子具有親電子性質。其結果促使γ-磷原子與β-磷原子之間氧橋所共有的電子對向氧原子一方轉移，于是ATP的γ-磷酸基團與氧橋斷鍵并與葡萄糖分子結合成葡萄糖-6-磷酸。

（3）己糖激酶

①催化葡萄糖形成葡萄糖-6-磷酸反應的酶稱為己糖激酶，激酶是能夠在ATP和任何一種底物之間起催化作用，轉移磷酸基團的一類酶。六碳糖激酶存在于所有細胞內。

②己糖激酶是一種調節酶，受它催化的反應產物G6P和ADP的變構抑制。

③在肝臟中還存在一種專一性強的葡萄糖激酶又稱葡糖激酶。這種酶在維持血糖的恒定中起作用。

④己糖激酶的種類：從動物組織中分離得到4種電泳行為不同的己糖激酶，分別稱為I、II、III、IV型，它們在機體的分布情況不同，催化的性質也不完全相同。分別總結如表22-1所示。

（4）參與反應的ATP和Mg2＋

參與上述反應的ATP，必須與Mg2＋形成Mg2＋-ATP復合物。未形成復合物的ATP分子對己糖激酶有強的競爭性抑制作用。

（5）萄糖磷酸激酶

①葡萄糖磷酸激酶不受G6P的抑制。當葡萄糖濃度相當高時，葡萄糖激酶才起作用。

②當血液中和肝細胞內游離葡萄糖的濃度增高時，它催化葡萄糖形成G6P，該物質是葡萄糖合成糖原的中間物，由肝臟合成糖原。

表22-1  己糖激酶的種類特性

2．萄糖-6-磷酸異構化形成果糖-6-磷酸

（1）反應式

（2）磷酸葡萄糖異構酶

磷酸葡萄糖異構酶又稱磷酸葡糖異構酶。該酶活性部位的催化殘基可能是賴氨酸（Lys）和組氨酸（His）。催化反應的實質包括一般的酶促酸-堿催化機制。反應機制如圖22-3所示。

圖22-3  磷酸葡萄糖異構化酶催化的反應機制

（3）磷酸葡萄糖異構酶的專一性

磷酸葡萄糖異構酶有絕對的底物專一性和立體專一性。6-磷酸葡糖酸（6PG）、赤蘚糖-4-磷酸（E4P）、景天庚酮糖-7-磷酸（S7P）等對磷酸葡萄糖異構酶都是競爭性抑制劑。

3．果糖-6-磷酸形成果糖-l,6-二磷酸

（1）反應方程式

這一步是糖降解或酒精發酵過程中的第二個磷酸化反應，也是糖酵解過程使用第二個ATP分子的反應。果糖-6-磷酸被ATP進一步磷酸化形成果糖-1,6-二磷酸。反應方程式為：

（2）磷酸果糖激酶（PFK）

催化此反應的酶稱為磷酸果糖激酶。該酶需要Mg2＋參加反應，其他2價金屬離子也有一定作用。該酶的催化機制和己糖激酶催化的反應機制基本一致。如圖22-4所示。

圖22-4  果糖-6-磷酸與ATP的結合機制

（3）磷酸果糖激酶的變構效應

磷酸果糖激酶是一種變構酶。它的催化效率很低，糖酵解的速率嚴格地依賴該酶的活力水平。它是哺乳動物糖酵解途徑最重要的調控關鍵酶?；钚允艿皆S多因素的控制。

①肝中的磷酸果糖激酶受高濃度ATP的抑制。ATP可降低該酶對果糖-6-磷酸的親和力。

②ATP對該酶的變構抑制效應可被AMP解除。因此ATP/AMP的比例關系對此酶有明顯的調節作用。

③當pH下降時，H＋對該酶有抑制作用。在生物體內這種抑制作用具有重要的生物學意義。

a．可防止血液pH的下降，有利于避免酸中毒；

b．可以阻止整個酵解途徑的繼續進行，從而防止乳酸的繼續形成。

（4）磷酸果糖激酶的同工酶

從兔分離得到的磷酸果糖激酶，有三種同工酶，分別稱為磷酸果糖激酶A、B、C。

①同工酶A存在于心肌和骨骼中，對磷酸肌酸、檸檬酸和無機磷酸的抑制作用最敏感。

②同工酶B存在于肝和紅細胞中，對2,3-二磷酸甘油酸（BPG）的抑制作用最敏感。

③同工酶C存在于腦中，對腺嘌呤核甘酸的作用最敏感。

4．果糖-1,6-二磷酸轉變為甘油醛-3-磷酸和二羥丙酮磷酸

（1）反應方程式

（2）醛縮酶類型

醛縮酶有兩種不同的類型：I和II型。它們的性質特點總結如表22-2所示。

表22-2  縮醛酶的類型及其特性

（3）醛縮酶I型的催化步驟

該酶的催化步驟可分為5步，反應機制如圖22-5所示。

圖22-5  醛縮酶I型的催化步驟機制

圈內賴氨酸、組氨酸和半胱氨酸三個殘基直接參與酶的催化反應，圓圈表示酶活部位。

5．二羥丙酮磷酸轉變為甘油醛-3-磷酸

果糖-1,6-二磷酸裂解后形成的兩分子三碳糖磷酸中，只有甘油醛-3-磷酸能繼續進入糖酵解途徑，二羥丙酮磷酸必須轉變為甘油醛-3-磷酸才能進入糖酵解途徑。

（1）丙糖磷酸異構酶概念

丙糖磷酸異構酶是催化二羥丙酮磷酸轉化成甘油醛-3-磷酸形成的酶。在該酶催化下，二羥丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸可以互變，它們之間是醛酮化合物的互變異構關系，通過一個共同中間體即順式-單烯二羥負離子中間體。

（2）丙糖磷酸異構酶的活性部位

丙糖磷酸異構酶的活性部位是以谷氨酸殘基的游離羧基與底物相結合。

（3）丙糖磷酸異構酶的的催化特點

①丙糖磷酸異構酶的催化反應極其迅速，只要酶與底物分子一旦相互碰撞，反應即刻完成。因此，任何加速丙糖磷酸異構酶催化效率的措施都不能再提高它的反應速度。

②羥丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸總是維持在反應的平衡狀態。

五、酵解第二階段—放能階段的反應機制

酵解的第二階段包括氧化-還原反應、磷酸化反應。這些反應是從甘油醛-3-磷酸提取能量形成ATP分子的過程。

1．甘油醛-3-磷酸氧化成1,3-二磷酸甘油酸

（1）反應式

甘油醛-3-磷酸的氧化和磷酸化是在甘油醛-3-磷酸脫氫酶的催化下，由NAD＋和無機磷酸參加實現的。反應中醛基氧化釋放的能量推動了1,3-二磷酸甘油酸（1,3-BGP）的形成，1,3-BGP是一個酰基磷酸，具有高能磷酸基團轉移勢能。

（2）甘油醛-3-磷酸脫氫酶的機制

①-S-H的H為酸性，酶分子上的孤電子對向H進攻；

②-S-H形成-S：向醛分子的羰基C進攻形成半縮硫醛中間產物；

③醛分子與原羰基相連的H以（H-）形式脫離，與氧化型的NAD＋結合形成NADH及硫酯；

④被還原的NADH立即脫離酶分子，同時酶又結合上另一氧化型NAD＋；

⑤磷酸分子向硫酯進行親核攻擊，使硫酯鍵斷鍵形成游離的1,3-二磷酸甘油酸，同時酶恢復原狀。

（3）砷酸鹽破壞1,3-二磷酸甘油酸的形成

砷酸化合物是很不穩定的化合物，它迅速地進行水解，其結果是砷酸鹽代替磷酸與甘油醛-3-磷酸結合并氧化，生成3-磷酸甘油酸而不是1,3-二磷酸甘油酸。

（4）砷酸鹽的抑制的機制

砷酸鹽在結構和反應方面都和無機磷酸極為相似，能代替磷酸進攻硫酯中間產物的高能鍵。在砷酸鹽存在下糖酵解沒有形成高能磷酸鍵。反應產物釋放的能量未能與磷酸化作用相偶聯而被貯存。因此砷酸鹽起著解偶聯的作用，即解除了氧化和磷酸化的偶聯作用。

2．1,3-二磷酸甘油酸轉移高能磷酸基團形成ATP

在磷酸甘油酸激酶的催化下，1,3-二磷酸甘油酸將其以高能酸酐鍵連接在碳1位上的高能磷酸基團轉移到ADP分子上形成ATP分子（此過程中產生了第一個ATP），1,3-二磷酸甘油酸則轉變為3-磷酸甘油酸。

3．3-磷酸甘油酸轉變為2-磷酸甘油酸

（1）磷酸甘油酸變位酶

①變位酶是指催化分子內化學基團移位的酶。

②磷酸甘油酸變位酶催化3-磷酸甘油酸轉變為2-磷酸甘油酸。磷酸甘油酸變位酶的活性部位結合有一個磷酸基團。當3-磷酸甘油酸作為酶的底物結合到酶的活性部位后，原來結合在酶活性部位的那個磷酸基團便立即轉移到底物分子上，形成一個與酶結合的二磷酸。

（2）磷酸甘油酸變位酶催化反應機制的實驗根據

①磷酸甘油酸變位酶的催化機制需有2,3-二磷酸甘油酸作為引物；

②將極少量用32P標記的2,3-二磷酸甘油酸與酶一起保溫發現，具有放射性的磷酸基團標記到酶的組氨酸殘基上；

③用X射線觀察酶的結構發現，在酶的活性部位（第8位的組氨酸殘基）上有放射性磷標記的磷酸基團。

4．2-磷酸甘油酸脫水生成磷酸烯醇式丙酮酸

（1）反應式

（2）烯醇化酶

烯醇化酶在與底物結合前先與2價陽離子如Mg2＋或Mn2＋結合形成一個復合物，才有活性。烯醇化酶的催化作用可用由兩個步驟組成。

①酶分子堿性殘基的孤對電子吸引2-磷酸甘油酸C（2）上的H原子，使C（2）成為負碳離子從而形成負碳離子中間物。

②2-磷酸甘油酸C（3）上的-OH基團離開負碳離子中間物，從而形成磷酸烯醇式丙酮酸和一分子水。

（3）烯醇化酶的特性

①烯醇磷酸酯具有高基團轉移勢能。

②氟化物是該酶強烈的抑制劑。其原因是氟與鎂和無機磷酸形成一個復合物，取代天然情況下酶分子上鎂離子的位置，從而使酶失活。

5．磷酸烯醇式丙酮酸轉變為丙酮酸并產生一個ATP分子

（1）反應式

（2）丙酮酸激酶

①丙酮酸激酶的催化活性需要2價陽離子參與，它是糖酵解途徑中的一個重要變構調節酶。

②ATP、長鏈脂肪酸、乙酰-CoA、丙氨酸都對丙酮酸激酶有抑制作用；而果糖-1,6-二磷酸和磷酸烯醇式丙酮酸對該酶都有激活作用。

③丙酮酸激酶至少有三種不同類型的同工酶。在肝臟中占優勢的為L型。肌肉和腦中占優勢的為M型，其他組織中的為A型。這些同工酶結構相似但調控機制不同。

六、由葡萄糖轉變為兩分子丙酮酸能量轉變的估算

1．總反應式

2．酵解過程ATP的消耗和產生

表22-3  酵解過程中ATP的產生和消耗

3．酵解過程自由能量的變化

表22-4  酵解過程自由能量的變化

七、丙酮酸的去路

1．生成乳酸

動物在激烈運動時或由于呼吸、循環系統障礙而發生供氧不足時，丙酮酸作為NADH的受氫體使細胞在無氧條件下重新生成NAD＋，丙酮酸的羰基被還原，生成乳酸。反應式為：

在無氧條件下，每分子葡萄糖代謝形成乳酸的總方程式為：

（1）乳酸脫氫酶（LDH）

①特點

乳酸脫氫酶催化NADH被丙酮酸氧化為NAD＋的過程，具有絕對的立體專一性。

②同工酶

哺乳動物有兩種不同的乳酸脫氫酶亞基。一種是M型（A型），一種是H型（B型）。這2種亞基類型構成5種同工酶：M₄、M₃H、M₂H₂、MH₃、H₄。這5種同工酶催化相同的反應，但對底物有特有的K_m值。

a．M₄和M₃H型對丙酮酸有較小的K_m；

b．MH₃和H₄型對丙酮酸有較大的K_m值，即較低的親和力；

c．心肌中是H₄型，H₄型對丙酮酸的親和力最小。這確保了在心肌中丙酮酸不能轉變為乳酸，而有利于丙酮酸脫氫酶的催化，使其朝有氧代謝方向進行。

（2）乳酸發酵

乳酸發酵是指以乳酸為終產物的厭氧發酵，生長在厭氧或相對厭氧條件下的許多細菌以乳酸為最終產物。

2．生成乙醇

酵母在無氧條件下，將丙酮酸轉變為乙醇和CO₂。這一過程包括兩個反應步驟。

（1）丙酮酸脫羧形成乙醛

①丙酮酸脫羧酶

催化這一步反應的酶是丙酮酸脫羧酶。該酶在動物細胞中不存在。它以硫胺素焦磷酸（TPP）為輔酶。TPP以非共價鍵和酶緊密結合。

②丙酮酸脫羧酶的催化機制

a．TPP的活性碳原子對丙酮酸的羰基碳進行親核攻擊；

b．釋放出CO₂并生成一個共振穩定的負碳離子加合物，在這個加合物上TPP的噻唑環起著電子陷阱的作用；

c．負碳離子質子化；

d．乙醛被釋放出又形成游離的活性酶。

（2）乙醛還原成乙醇同時產生氧化型NAD＋

催化這一反應的酶是含有4個亞基的乙醇脫氫酶。它的每個亞基結合一個NADH和一個Zn2＋。Zn2＋的作用是使乙醛的羰基極化，從而對NADH Pro-R的氫原子的轉移有促進作用。這一氫原子轉移到乙醛的re-面上，從而產生一個氫原子在Pro-R位的乙醇分子。

八、糖酵解作用的調節

1．磷酸果糖激酶是關鍵酶

（1）磷酸果糖激酶是哺乳動物酵解途徑的重要調節酶，是糖酵解作用的限速酶。

（2）該酶受到高濃度ATP的抑制。高濃度的ATP使酶與底物果糖-6-磷酸的結合曲線從雙曲線形變為S形（圖22-6）。檸檬酸可通過加強ATP的抑制效應來抑制磷酸果糖激酶的活性，從而使糖酵解過程減慢。

圖22-6  ATP對磷酸果糖激酶的抑制

2．果糖-2,6-二磷酸對酵解的調節作用

（1）果糖-2,6-二磷酸

①果糖-2,6-二磷酸是磷酸果糖激酶強有力的激動劑，它實質上是一個變構激活劑。它控制磷酸果糖激酶的構象轉換，維持構象之間的平衡關系。

②在肝臟中，果糖-2,6-二磷酸提高果糖激酶與果糖-6-磷酸的親和力并降低ATP的抑制效應。

（2）磷酸果糖激酶2（PFK2）和果糖二磷酸酶2

①果糖-2,6-二磷酸的形成是由磷酸果糖激酶2（PFK2）催化果糖-6-磷酸，使其在C（2）位磷酸化而形成的。

②果糖-2,6-二磷酸的水解是由果糖二磷酸酶2催化的。水解的產物是果糖-6-磷酸。

③磷酸果糖激酶2和果糖二磷酸酶2處于一條單一的多肽鏈上。它們的活性由酶分子上一個絲氨酸殘基往復地磷酸化所控制。

（3）前饋刺激作用

果糖-6-磷酸既能加速果糖-2,6-二磷酸合成也能抑制該化合物被水解。因此，高的果糖6-磷酸濃度可導致高濃度果糖-2,6-二磷酸的形成。果糖-2,6-二磷酸又進一步激活果糖磷酸激酶。這種過程稱為前饋刺激作用。

（4）協同控制作用

當葡萄糖缺乏時，血液中的胰高血糖素啟動環AMP的級聯效應引起該雙重功能酶的磷酸化。酶的共價修飾激活果糖二磷酸酶2，并抑制磷酸果糖激酶2，導致果糖2,6-二磷酸減少。當葡萄糖過剩時，磷酸基團從酶分子上脫落，果糖-2,6-二磷酸的含量上升，糖酵懈過程加速。稱為協同控制作用。

3．己糖激酶和丙酮酸激酶對糖酵解的調節作用

（1）己糖激酶的調節作用

己糖激酶的催化作用受到它催化生成的產物葡萄糖-6-磷酸的抑制。當磷酸果糖激酶不活躍，果糖-6-磷酸的濃度增加必然使葡萄糖-6-磷酸的濃度增加，使得己糖激酶受到抑制。

（2）丙酮酸激酶的調節作用

①丙酮酸激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸生成ATP和丙酮酸。

②果糖-1,6-二磷酸對丙酮酸激酶的激活作用。

③當能量貯存足夠時，ATP對丙酮酸激酶的變構抑制效應使酵解過程減慢。

④丙氨酸對丙酮酸激酶的變構抑制效應也使酵解過程減慢。

⑤丙酮酸激酶是通過磷酸化和去磷酸化轉變其活性。其活躍形式如圖22-7所示。

圖22-7  丙酮酸激酶催化活性控制關系圖

九、其他六碳糖進入糖酵解途徑

1．果糖

（1）肌肉中的果糖酵解

（2）肝臟中的果糖酵解

肝臟中只含有葡萄糖激酶，因此果糖在肝臟中進入糖酵解途徑需經過6種酶的催化。

①果糖由果糖激酶催化，在C（1）位磷酸化，消耗1個ATP分子，形成果糖-1-磷酸；

②果糖-1-磷酸進行醇、醛裂解形成二羥丙酮磷酸和甘油醛；

③甘油醛在甘油醛激酶催化下，消耗l分子ATP，形成甘油醛-3-磷酸；

④甘油醛還可以早醇脫氫酶催化下，由NADH還原形成甘油；

⑤甘油在甘油激酶的催化下，消耗1分子ATP，轉變為甘油-3-磷酸；

⑥甘油-3-磷酸在甘油磷酸脫氫酶催化下，由NAD＋氧化，形成二羥丙酮磷酸，二羥丙酮磷酸經酵解途徑中的丙糖磷酸異構酶轉變為甘油醛-3-磷酸，從而進入糖酵解途徑。

（3）果糖不耐癥

果糖不耐癥是一種遺傳病，是由于肝中缺乏B型醛縮酶。食入的果糖不能被正常代謝，也造成果糖-1-磷酸積累引起一系列和臨床輸入果糖同樣的癥狀。這種病人對任何甜味都失去感覺。

2．半乳糖

（1）半乳糖轉變為能進入糖酵解途徑的中間產物過程

①半乳糖由半乳糖激酶催化其第一個碳原子C（1）磷酸化，形成半乳糖-1-磷酸，消耗l分子ATP。

②半乳糖-1-磷酸形成UDP-半乳糖。催化此反應的酶稱為尿苷酰轉移酶。它催化尿苷酰基團從UDP-葡萄糖分子在焦磷酸鍵處斷裂轉移到半乳糖-1-磷酸的磷酸基團上。

③UDP-半乳糖轉化為UDP-葡萄糖。催化此反應的酶稱為UDP-半乳糖4-差向異構酶。此酶以NAD＋為輔酶。在轉變中需經過氧化-還原過程。

④UDP-葡萄糖轉變為葡萄糖-1-磷酸。催化此反應的酶為UDP-葡萄糖焦磷酸化酶。

⑤葡萄糖-1-磷酸由磷酸葡萄糖變位酶轉變為糖酵解過程的中間產物葡萄糖-6-磷酸。

（2）半乳糖血癥

半乳糖血癥是一種遺傳病。這種患者體內不能將半乳糖轉化為葡萄糖。原因是缺乏半乳糖-1-磷酸尿苷酰轉移酶，不能使半乳糖-1-磷酸轉變為UDP-半乳糖。結果使血中半乳糖積累，進一步造成眼睛晶狀體半乳糖含量升高，并還原為半乳糖醇造成晶狀體混濁引起白內障。

3．甘露糖

（1）反應式

（2）反應步驟

①甘露糖由己糖激酶催化轉變為甘露糖-6-磷酸。

②甘露糖-6-磷酸由磷酸甘露糖異構酶催化轉變為果糖-6-磷酸。