生物化学/糖酵解

介绍

糖酵解是葡萄糖被分解成两个丙酮酸分子的过程。事实上，糖酵解被认为是十个酶介导步骤的线性途径。糖酵解途径有两个阶段：能量投资阶段和能量生成阶段。糖酵解的前五个步骤是能量投资“准备阶段”，产生3-磷酸甘油醛。能量生成阶段是糖酵解的最后五个步骤，产生最终的两个丙酮酸分子产物。糖酵解发生在细胞质中，可以在没有氧气的情况下进行。在体内，糖酵解的葡萄糖来源来自膳食二糖和单糖。

糖酵解是碳水化合物代谢的第一步，其最终结果是将葡萄糖转化为二氧化碳和水。当葡萄糖完全氧化为二氧化碳时，大量能量被转化为ATP。

在糖酵解过程中，会生成两个NADH分子和净两个ATP分子（两个ATP分子用于启动该途径，但随后会合成四个分子）。因此，每个葡萄糖分子转化为两个丙酮酸分子，都会净产生两个ATP分子。

在这个过程结束时，只有少部分葡萄糖能量被释放，其余的潜在能量仍然存在于丙酮酸分子中，丙酮酸分子会被进一步氧化，首先转化为乙酰辅酶A，然后通过三羧酸循环转化为二氧化碳。从三羧酸循环中获得的NADH和FADH₂进入电子传递链，通过氧化磷酸化产生ATP。因此，有氧降解比无氧代谢效率更高。这就是为什么有氧机制现在在生物体中更加普遍，但即使在动物的某些生理情况下，无氧途径仍然发生。

概述

糖酵解是碳水化合物分解代谢的主要途径，其中六碳糖被分解成三碳化合物，随后释放能量，用于将ADP转化为ATP。糖酵解可以在厌氧（无氧）和有氧条件下进行。

糖酵解是一个10步途径，将葡萄糖转化为2个丙酮酸分子。糖酵解的总反应可以写成一个净方程式

葡萄糖 + 2ADP + 2NAD⁺ → 2丙酮酸 + 2ATP + 2NADH

糖酵解酶

1. 己糖激酶 (HK)
2. 磷酸葡萄糖异构酶 (PGI)
3. 磷酸果糖激酶 (PFK)
4. 醛缩酶 (ALDO)
5. 磷酸三糖异构酶 (TPI)
6. 3-磷酸甘油醛脱氢酶 (GAPDH)
7. 磷酸甘油酸激酶 (PGK)
8. 磷酸甘油酸变位酶 (PGM)
9. 烯醇化酶 (ENO)
10. 丙酮酸激酶 (PK)

糖酵解化合物

• 葡萄糖
• 6-磷酸葡萄糖 (G6P)
• 6-磷酸果糖 (F6P)
• 1,6-二磷酸果糖 (F1,6BP)
• 3-磷酸甘油醛 (GADP)
• 磷酸二羟丙酮 (DHAP)
• 1,3-二磷酸甘油酸 (1,3PG)
• 3-磷酸甘油酸 (3PG)
• 2-磷酸甘油酸 (2PG)
• 磷酸烯醇丙酮酸 (PEP)
• 丙酮酸

视觉概述

阶段 I: 能量投资（步骤 1-5）

阶段 II: 能量收获（步骤 6-10）

十步的详细描述

步骤 1: 葡萄糖在第 6 个碳处被磷酸化，由葡萄糖激酶 (己糖激酶 IV) 或其他己糖激酶催化

δG⁰ = -16.7 kJ/mol

进入细胞的葡萄糖只有一个命运：它被典型的激酶反应转化为 6-磷酸葡萄糖。当葡萄糖被磷酸化时，它就被困在细胞内部，因为第 6 个碳处的磷酸基团推动磷脂膜，因此 6-磷酸葡萄糖甚至不能接近质膜。

ATP 被用作磷酸基团储存库。

Mg²⁺ 被发现是该酶的辅因子。Mg²⁺ 的存在屏蔽了 ATP 磷酸基团上的电荷。因此，化合物可以更容易地靠近。

在反应中，焦磷酸键被断裂（-7.5 kcal/mole），并形成一个磷酸酯键（+3 kcal/mole），导致净值 -4.0 kcal/mole。因此，可以得出结论，产物（6-磷酸葡萄糖）比反应物（葡萄糖）能量更低。能量更低意味着更稳定。因此，产物比反应物更稳定。这种条件使得反应不可逆。

步骤 2: 6-磷酸葡萄糖的异构化，由磷酸葡萄糖异构酶催化

δG⁰ = +1.7 kJ/mol

这种转化是可逆的。通过将 6C 环状化合物转化为 5C 环状化合物，其中包括环状部分中的氧原子，如在 6C 化合物中所见，它的目的是产生一个能够被分裂成两个碳含量相等（3C）化合物的分子。

步骤 3: 第二个磷酸化反应，由磷酸果糖激酶催化

δG⁰ = -18.5 kJ/mol

在这一步的帮助下，分裂成两个碳含量相等（3C）的化合物在磷酸基团方面也得到了平衡。

再次，Mg²⁺ 被发现是该酶的辅因子。它的功能与步骤 1 中所见类似。

这个反应是不可逆的，可以从它的负 δG⁰ 推断出来。

步骤 4: 分裂成两个三碳磷酸，由醛缩酶催化

δG⁰ = +28 kJ/mol

现在，产生了两个 3C 分子。

步骤 5: 磷酸二羟丙酮的异构化，由磷酸三糖异构酶催化

δG⁰ = +7.6 kJ/mol

在这一步之后，每个反应都会发生两次，因为存在 2 个 3-磷酸甘油醛分子用于后续步骤。

步骤 6: 生成 1,3-二磷酸甘油酸，由 3-磷酸甘油醛脱氢酶催化

δG⁰ = +6.3 kJ/mol

在这里，目标是插入磷酸基团，该磷酸基团稍后将被转移到 ADP 以生成 ATP。还会生成 NADH。

步骤 7: 通过底物水平磷酸化生成 3-磷酸甘油酸，由磷酸甘油酸激酶催化

δG⁰ = -18.8 kJ/mol

第一步是生成 ATP，即步骤 7。

步骤 8: 将磷酸基团从 3-磷酸甘油酸的第 3 个碳转移到第 2 个碳，由磷酸甘油酸变位酶催化

δG⁰ = +4.4 kJ/mol

通过这个反应的影响，在 PEP（步骤 8 的产物）中实现了共振。

步骤 9: 合成磷酸烯醇丙酮酸，由烯醇化酶催化

δG⁰ = +1.7 kJ/mol

发生水的逸出。

步骤 10: 底物水平磷酸化。丙酮酸的合成，由丙酮酸激酶催化

δG⁰ = -31.4 kJ/mol

产生 ATP。丙酮酸从烯醇式快速非酶促地互变异构为酮式。这是糖酵解的最后一步，也是不可逆步骤之一。

参考文献

• Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2008). 糖酵解、糖异生和磷酸戊糖途径。Lehninger 生化原理，第 4 版，第 521-559 页。
• Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. 生化。第 5 版。纽约：W H Freeman；2002 年。第 16 章，糖酵解和糖异生。