生物化學(xué)與分子生物學(xué)/糖酵解途徑

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生物化學(xué)與分子生物學(xué)

糖代謝
- 糖的分解代謝
  - 糖酵解途徑
  - 糖的有氧氧化
  - 磷酸戊糖途徑
  - 糖醛酸代謝
  - 其它單糖的酵解

糖酵解途徑是指細(xì)胞在胞漿中分解葡萄糖生成丙酮酸(pyruvate)的過(guò)程，此過(guò)程中伴有少量ATP的生成。在缺氧條件下丙酮酸被還原為乳酸(lactate)稱為糖酵解。有氧條件下丙酮酸可進(jìn)一步氧化分解生成乙酰CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán)，生成CO2和H2O。

葡萄糖不能直接擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，其通過(guò)兩種方式轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞：一種是在前一節(jié)提到的與Na+共轉(zhuǎn)運(yùn)方式，它是一個(gè)耗能逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)，主要發(fā)生在小腸粘膜細(xì)胞、腎小管上皮細(xì)胞等部位；另一種方式是通過(guò)細(xì)胞膜上特定轉(zhuǎn)運(yùn)載體將葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞內(nèi)(圖4-1)，它是一個(gè)不耗能順濃度梯度的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。目前已知轉(zhuǎn)運(yùn)載體有5種，其具有組織特異性如轉(zhuǎn)運(yùn)載體-1(GLUT-1)主要存在于紅細(xì)胞，而轉(zhuǎn)運(yùn)載體-4(GLUT-4)主要存在于脂肪組織和肌肉組織。

(二)糖酵解過(guò)程

糖酵解分為兩個(gè)階段共10個(gè)反應(yīng)，每個(gè)分子葡萄糖經(jīng)第一階段共5個(gè)反應(yīng)，消耗2個(gè)分子ATP為耗能過(guò)程，第二階段5個(gè)反應(yīng)生成4個(gè)分子ATP為釋能過(guò)程。

1.第一階段

(1)葡萄糖的磷酸化(phosphorylation of glucose)

進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的葡萄糖首先在第6位碳上被磷酸化生成6-磷酸葡萄糖(glucose6phophate,G-6-P)，磷酸根由ATP供給，這一過(guò)程不僅活化了葡萄糖，有利于它進(jìn)一步參與合成與分解代謝，同時(shí)還能使進(jìn)入細(xì)胞的葡萄糖不再逸出細(xì)胞。催化此反應(yīng)的酶是己糖激酶(hexokinase,HK)。己糖激酶催化的反應(yīng)不可逆，反應(yīng)需要消耗能量ATP，Mg2+是反應(yīng)的激活劑，它能催化葡萄糖、甘露糖、氨基葡萄糖、果糖進(jìn)行不可逆的磷酸化反應(yīng)，生成相應(yīng)的6-磷酸酯，6-磷酸葡萄糖是HK的反饋抑制物，此酶是糖氧化反應(yīng)過(guò)程的限速酶(ratelimiting enzyme)或稱關(guān)鍵酶(key enzyme)它有同工酶Ⅰ-Ⅳ型，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型主要存在于肝外組織，其對(duì)葡萄糖Km值為10-5～10-6M。

Ⅳ型主要存在于肝臟，特稱葡萄糖激酶(glucokinase,GK)，對(duì)葡萄糖的Km值1～10-2M，正常血糖濃度為5mmol/L，當(dāng)血糖濃度升高時(shí)，GK活性增加，葡萄糖和胰島素能誘導(dǎo)肝臟合成GK，GK能催化葡萄糖、甘露糖生成其6-磷酸酯，6-磷酸葡萄糖對(duì)此酶無(wú)抑制作用。

HK與GK兩者區(qū)別見(jiàn)表4-1。

表4-1　己糖激酶(HK)和葡萄糖激酶(GK)的區(qū)別

	HK	GK
組織分布	絕大多數(shù)組織	肝臟和β細(xì)胞
Km	低	高
6-磷酸葡萄糖的抑制	有	無(wú)

(2)6-磷酸葡萄糖的異構(gòu)反應(yīng)(isomerization of glucose-6-phosphate)

這是由磷酸己糖異構(gòu)酶(phosphohexoseisomerase)催化6-磷酸葡萄糖(醛糖aldose sugar)轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸果糖(fructose-6-phosphate,F-6-P)的過(guò)程，此反應(yīng)是可逆的。

(3)6-磷酸果糖的磷酸化(phosphorylation of fructose－6-phosphate)

此反應(yīng)是6磷酸果糖第一位上的C進(jìn)一步磷酸化生成1,6-二磷酸果糖，磷酸根由ATP供給，催化此反應(yīng)的酶是磷酸果糖激酶1(phosphofructokinasel,PFK1)。

PFK1催化的反應(yīng)是不可逆反應(yīng)，它是糖的有氧氧化過(guò)程中最重要的限速酶，它也是變構(gòu)酶，檸檬酸、ATP等是變構(gòu)抑制劑，ADP、AMP、Pi、1，6-二磷酸果糖等是變構(gòu)激活劑，胰島素可誘導(dǎo)它的生成。

(4)1.6二磷酸果糖裂解反應(yīng)(cleavageof fructose1,6 di/bis phosphate)

醛縮酶(aldolase)催化1.6-二磷酸果糖生成磷酸二羥丙酮和3-磷酸甘油醛，此反應(yīng)是可逆的。

(5)磷酸二羥丙酮的異構(gòu)反應(yīng)(isomerization of dihydroxyacetonephosphate)

磷酸丙糖異構(gòu)酶(triosephosphate isomerase)催化磷酸二羥丙酮轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油醛，此反應(yīng)也是可逆的。

到此1分子葡萄糖生成2分子3-磷酸甘油醛，通過(guò)兩次磷酸化作用消耗2分子ATP。

2.第二階段：

(6)3-磷酸甘油醛氧化反應(yīng)(oxidation of glyceraldehyde-3-phosphate

此反應(yīng)由3-磷酸甘油醛脫氫酶(glyceraldehyde 3-phosphatedehydrogenase)催化3-磷酸甘油醛氧化脫氫并磷酸化生成含有1個(gè)高能磷酸鍵的1，3-二磷酸甘油酸，本反應(yīng)脫下的氫和電子轉(zhuǎn)給脫氫酶的輔酶NAD+生成NADH+H+，磷酸根來(lái)自無(wú)機(jī)磷酸。

(7)1.3－二磷酸甘油酸的高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移反應(yīng)

在磷酸甘油酸激酶(phosphaglyceratekinase,PGK)催化下，1.3－二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸，同時(shí)其C1上的高能磷酸根轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP，這種底物氧化過(guò)程中產(chǎn)生的能量直接將ADP磷酸化生成ATP的過(guò)程，稱為底物水平磷酸化(substratelevel phosphorylation)。此激酶催化的反應(yīng)是可逆的。

(8)3-磷酸甘油酸的變位反應(yīng)

在磷酸甘油酸變位酶(phosphoglyceratemutase)催化下3-磷酸甘油酸C3-位上的磷酸基轉(zhuǎn)變到C2位上生成2-磷酸甘油酸。此反應(yīng)是可逆的。

(9)2-磷酸甘油酸的脫水反應(yīng)

由烯醇化酶(enolase)催化，2-磷酸甘油酸脫水的同時(shí)，能量重新分配，生成含高能磷酸鍵的磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvatePEP)。本反應(yīng)也是可逆的。

(10)磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸轉(zhuǎn)移

在丙酮酸激酶(pyruvatekinase,PK)催化下，磷酸烯醇式丙酮酸上的高能磷酸根轉(zhuǎn)移至ADP生成ATP，這是又一次底物水平上的磷酸化過(guò)程。但此反應(yīng)是不可逆的。

丙酮酸激酶是糖的有氧氧化過(guò)程中的限速酶，具有變構(gòu)酶性質(zhì)，ATP是變構(gòu)抑制劑，ADP是變構(gòu)激活劑，Mg2+或K+可激活丙酮酸激酶的活性，胰島素可誘導(dǎo)PK的生成，烯醇式丙酮酸又可自動(dòng)轉(zhuǎn)變成丙酮酸。

總結(jié)糖的無(wú)氧酵解　在細(xì)胞液階段的過(guò)程中，一個(gè)分子的葡萄糖或糖原中的一個(gè)葡萄糖單位，可氧化分解產(chǎn)生2個(gè)分子的丙酮酸，丙酮酸將進(jìn)入線粒體繼續(xù)氧化分解，此過(guò)程中產(chǎn)生的兩對(duì)NADH+H+，由遞氫體α-磷酸甘油(肌肉和神經(jīng)組織細(xì)胞)或蘋(píng)果酸(心肌或肝臟細(xì)胞)傳遞進(jìn)入線粒體，再經(jīng)線粒體內(nèi)氧化呼吸鏈的傳遞，最后氫與氧結(jié)合生成水，在氫的傳遞過(guò)程釋放能量，其中一部分以ATP形式貯存。

在整個(gè)細(xì)胞液階段中的10或11步酶促反應(yīng)中，在生理條件下有三步是不可逆的單向反應(yīng)，催化這三步反應(yīng)的酶活性較低，是整個(gè)糖的有氧氧化過(guò)程的關(guān)鍵酶，其活性大小，對(duì)糖的氧化分解速度起決定性作用，在此階段經(jīng)底物水平磷酸化產(chǎn)生四個(gè)分子ATP。

葡萄糖分解的兩個(gè)階段

圖4-2 葡萄糖分解的兩個(gè)階段

總而言之，經(jīng)過(guò)糖酵解途徑，一個(gè)分子葡萄糖可氧化分解產(chǎn)生2個(gè)分子丙酮酸。在此過(guò)程中，經(jīng)底物水平磷酸化可產(chǎn)生4個(gè)分子ATP，如與第一階段葡萄糖磷酸化和磷酸果糖的磷酸化消耗二分子ATP相互抵消，每分子葡萄糖降解至丙酮酸凈產(chǎn)生2分子ATP，如從糖原開(kāi)始，因開(kāi)始階段僅消耗1分子ATP，所以每個(gè)葡萄糖單位可凈生成3分子ATP(圖4-2)。葡萄糖+2Pi+2NAD++2ADP→2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O

(三)丙酮酸在無(wú)氧條件下生成乳酸

氧供應(yīng)不足時(shí)從糖酵解途徑生成的丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗?。缺氧時(shí)葡萄糖分解為乳酸稱為糖酵解(glycolysis)，因它和酵母菌生醇發(fā)酵非常相似。丙酮酸轉(zhuǎn)變成乳酸由乳酸脫氫酶(lactatedehydrogenase)催化丙酮酸乳酸脫氫酶乳酸在這個(gè)反應(yīng)中丙酮酸起了氫接受體的作用。由3-磷酸甘油醛脫氫酶反應(yīng)生成的NADH+H+，缺氧時(shí)不能經(jīng)電子傳遞鏈氧化。正是通過(guò)將丙酮酸還原成乳酸，使NADH轉(zhuǎn)變成NAD+，糖酵解才能繼續(xù)進(jìn)行。

乳酸脫氫酶是由M和H二種亞基構(gòu)成的四聚體，組成5種同工酶。這些同工酶在組織中分布不同，對(duì)丙酮酸的KM也有較大差異。H4主要分布在心肌。它的酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)表明H4有利于催化乳酸氧化成丙酮酸。所以心肌進(jìn)行有氧氧化而且能利用乳酸作為燃料。骨骼肌中為M4型。它對(duì)反應(yīng)方面無(wú)傾向性，但肌細(xì)胞內(nèi)底物的濃度有利于生成乳酸。

(四)糖酵解及其生理意義

糖酵解是生物界普遍存在的供能途徑，但其釋放的能量不多，而且在一般生理情況下，大多數(shù)組織有足夠的氧以供有氧氧化之需，很少進(jìn)行糖酵解，因此這一代謝途徑供能意義不大，但少數(shù)組織，如視網(wǎng)膜、睪丸、腎髓質(zhì)和紅細(xì)胞等組織細(xì)胞，即使在有氧條件下，仍需從糖酵解獲得能量。

在某些情況下，糖酵解有特殊的生理意義。例如劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，能量需求增加，糖分解加速，此時(shí)即使呼吸和循環(huán)加快以增加氧的供應(yīng)量，仍不能滿足體內(nèi)糖完全氧化所需要的能量，這時(shí)肌肉處于相對(duì)缺氧狀態(tài)，必須通過(guò)糖酵解過(guò)程，以補(bǔ)充所需的能量。在劇烈運(yùn)動(dòng)后，可見(jiàn)血中乳酸濃度成倍地升高，這是糖酵解加強(qiáng)的結(jié)果。又如人們從平原地區(qū)進(jìn)入高原的初期，由于缺氧，組織細(xì)胞也往往通過(guò)增強(qiáng)糖酵解獲得能量。

在某些病理情況下，如嚴(yán)重貧血、大量失血、呼吸障礙、腫瘤組織等，組織細(xì)胞也需通過(guò)糖酵解來(lái)獲取能量。倘若糖酵解過(guò)度，可因乳酸產(chǎn)生過(guò)多，而導(dǎo)致酸中毒。

(五)糖酵解的調(diào)節(jié)

正常生理?xiàng)l件下，人體內(nèi)的各種代謝受到嚴(yán)格而精確的調(diào)節(jié)，以滿足機(jī)體的需要，保持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。這種控制主要是通過(guò)調(diào)節(jié)酶的活性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在一個(gè)代謝過(guò)程中往往催化不可逆反應(yīng)的酶限制代謝反應(yīng)速度，這種酶稱為限速酶。糖酵解途徑中主要限速酶是己糖激酶(HK)，磷酸果糖激酶-1(PFK-1)和丙酮酸激酶(PK)。

1.激素的調(diào)節(jié)

胰島素能誘導(dǎo)體內(nèi)葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶的合成，因而促進(jìn)這些酶的活性，一般來(lái)說(shuō)，這種促進(jìn)作用比對(duì)限速酶的變構(gòu)或修飾調(diào)節(jié)慢，但作用比較持久。

2.代謝物對(duì)限速酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)

上述三個(gè)限速酶中，起決定作用的是催化效率最低的酶PFK-1。其分子是一個(gè)四聚體形式，不僅具有對(duì)反應(yīng)底物6-磷酸果糖和ATP的結(jié)合部位，而且尚有幾個(gè)與別位激活劑和抑制劑結(jié)合的部位，6-磷酸果糖、1，6二磷酸果糖、ADP和AMP是其激活劑，而ATP、檸檬酸等是其抑制劑，ATP既可作為反應(yīng)底物又可作為抑制劑，其原因在于：此酶一個(gè)是與作為底物的ATP結(jié)合位點(diǎn)，另一個(gè)是與作為抑制劑的ATP結(jié)合位點(diǎn)，兩個(gè)位點(diǎn)對(duì)ATP的親和力不同，與底物的位點(diǎn)親和力高，抑制劑作用的位點(diǎn)親和力低。對(duì)ATP有兩種結(jié)合位點(diǎn)，這樣，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)ATP不足時(shí)，ATP主要作為反應(yīng)底物，保證酶促反應(yīng)進(jìn)行，而當(dāng)細(xì)胞內(nèi)ATP增多時(shí)，ATP作為抑制劑，降低了酶對(duì)6-磷酸果糖的親和力。

它在體內(nèi)也是由6-磷酸果糖磷酸化而成，但磷酸化是在C2位而不是C4位，參與的酶也是另一個(gè)激酶，磷酸果糖激酶-2(PFK-2)。

2，6-二磷酸果糖可被二磷酸果糖磷酸酶-2去磷酸而生成6-磷酸果糖，失去其調(diào)節(jié)作用。2，6-二磷酸果糖的作用在于增強(qiáng)磷酸果糖激酶-1對(duì)6-磷酸果糖的親和力和取消ATP的抑制作用(圖4-3)。

胰島素濃度升高對(duì)肝細(xì)胞內(nèi)2，6-二磷酸果糖濃度的影響