葡萄醣解

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葡萄醣解(粵讀:pou⁴ tou⁴ tong⁴ gaai²英文Glycolysis),又叫醣解、醣解作用醣酵解等,係所有生物細胞醣代謝過程嘅第一步。喺呢個過程,一粒葡萄醣分子,經過十步酵素反應,轉變成兩粒丙酮酸分子。依個分子,嚴格嚟講,應該係丙酮酸鹽,即係丙酮酸陰離子形式。葡萄醣解形式,最著名同研究得最徹底嘅,係雙磷酸六碳醣降解途徑(Embden-Meyerhof途徑)。另一途徑係脫氧酮醣酸途徑(Entner-Doudoroff途徑),葡萄醣解可以用嚟概括所有呢啲途徑,但響呢度係當做雙磷酸六碳醣降解途徑嘅同義詞。

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葡萄醣解,來自學名glycolysis,glyco- 卽葡萄醣,-lysis卽解。係分解葡萄醣等能量嘅過程。

葡萄醣解嘅總反應式[編輯]

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

葡萄醣解嘅場所[編輯]

葡萄醣解,見於細胞嘅細胞質。早先淨係知道冇氧環境,醣喺可以降解成乳酸,但係現時終於知道,無論有氧定係冇氧環境,醣經過同樣嘅過程,會分解成丙酮酸。唔同嘅係喺有氧條件,攞走丙酮酸一粒二氧化碳分子,剩低二碳片段,形成乙酸鹽,之後輔酶A,卽一種喺微生素B度衍生出嚟嘅含硫化合物,以唔穩定嘅化學鍵,接上乙酸,令到乙酰基,卽黐著嘅乙酸鹽,好活潑,呢個就係化學修飾物乙酰輔酶A,之後再進入夏禮輔循環。依個循環,又叫做檸檬酸循環或者三羧酸循環。

原核生物真核生物,大部分缺氧細胞或者組織,如骨骼肌,丙酮酸會轉化成乳酸,或者好似醣類畀酵母分解噉樣,轉化成乙醇二氧化碳。喺有氧環境做嘢嘅組織,如心肌細胞,將三碳嘅丙酮酸,分解成乙酰輔酶A同二氧化碳,乙酰輔酶A會再行夏禮輔循環,分解成二氣化碳同氫。氫會同氫載體煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)同黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)結合成(NADH 同FADH2 )。喺線粒體行呼吸鏈,NADH同FADH嘅氧化會導致三磷酸腺苷(ATP)嘅產生,能量會儲存喺三磷酸腺苷嘅高能磷酸鍵,供細胞用。

葡萄醣解係唯一一條現代生物都具有嘅代謝途徑,出現時間非常早。葡萄醣解,最早可能三十五億年前,第一個原核生物就有。

葡萄醣解步驟[編輯]

葡萄醣解第一步,葡萄糖磷酸化葡萄醣-6-磷酸。唔同細胞類型,酵素各異,喺所有嘅細胞入便,都有六碳醣激酶嚟催化,而喺胰腺入便,就另外葡萄醣激酶,卽六碳醣激酶IV嘅酵素[1]。磷酸化過程消耗一粒三磷酸腺苷分子,後面嘅過程證明,呢個係用法,回報豐厚。 細胞膜畀葡萄醣通過,但磷酸化產物6-磷酸葡萄醣通唔過,後者喺細胞入便,積聚並且繼續反應,將反應平​​衡,推移向有利葡萄糖吸收嘅方向。之後

磷酸六碳醣異構酶,催化葡萄醣-6-磷酸,轉變成菓醣-6-磷酸。喺呢度,菓醣亦可通過磷酸化,走入葡萄糖解途徑。

跟住磷酸菓醣激酶催化菓醣-6-磷酸由三磷酸腺苷度獲得磷酸基變成菓醣-1,6-二磷酸,三磷酸腺苷就變成二磷酸腺苷(ADP)。咁消耗能量係好值得嘅,首先呢步反應令到葡萄醣分解,無得返轉頭,另外,醛縮酶會出手令到兩個磷酸基團分解成磷酸二羥丙酮3-磷酸​​甘油醛。之後磷酸丙醣異構酶出手,磷酸二羥丙酮會轉化成3-磷酸甘油醛。之後,NAD同3-磷酸甘油醛脫氫酶(GAPDH),會氧化兩粒分子3-磷酸甘油醛,變成 1 ,3-二磷酸甘油酸

下一步,磷酸甘油酸激酶催化1,3-二磷酸甘油酸轉變成3-磷酸甘油酸。高能磷酸鍵由1,3-二磷酸甘油酸轉移到二磷酸腺苷上邊,形成兩分子三磷酸腺苷。依度葡萄醣解能量,賺蝕平衡。兩分子三磷酸腺苷,消耗咗又重新形成。合成三磷酸腺苷,要二磷酸腺苷做原料。若然細胞入便,三磷酸腺苷多,二磷酸腺苷少,反應暫停,直到有足夠嘅二磷酸腺苷。呢種反饋調節機制好重要,因為三磷酸腺苷就算無用到,都會好快分解。反饋調節避免生產過量嘅三磷酸腺苷,慳番能量。磷酸甘油酸變位酶出手,3-磷酸甘油酸轉成2-磷酸甘油酸,最終成咗磷酸烯醇式丙酮酸。磷酸烯醇式丙酮酸係高能化合物。最後,丙酮酸激酶出手將磷酸烯醇式丙酮酸化成丙酮酸,同時生成一分子三磷酸腺苷。呢步反應同樣受二磷酸腺苷調節。

反應順序[編輯]

可以分成十步:

準備階段[編輯]

通常將前面五步叫做準備階段,或者能量投入階段,因為呢啲步驟消耗能量,葡萄醣轉變成兩個三碳醣磷酸,即甘油醛-3-磷酸同磷酸二羥丙酮。

醣解準備階段,第一步將葡萄醣磷酸化。大部分動植物同微生物細胞入便,有六碳糖激酶,利用佢做催化反應,呢個反應,佢標準自由能變化\Delta G^{\circ'}=-4.0千卡/摩耳,所以呢個反應,返唔到轉頭,葡萄醣個六號碳,三磷酸腺苷,過磷酸畀佢,卽係磷酸化,變成葡萄醣-6-磷酸

呢個步驟入便嘅酵素,同六碳醣分子結合,本身構形改變,催化葡萄醣同磷酸分子。既然佢叫得六碳糖激酶,就係話佢,唔單單催化右旋-葡萄醣一種,亦都可以催化其它六碳嘅醣,叫醣食埋個磷酸分子。六碳醣諸如右旋-菓醣同右旋-甘露醣等等,一樣有效。呢種酵素,有唔同嘅同工酵素,唔同生物,同組織,各有唔同。喺肌肉入便,係一種調節性酵素,葡萄醣-6-磷酸同腺苷二磷酸,濃過正常嗰陣,就可以暫時抑制六碳醣激酶,利用速率,達到平衡。

入便,有一種特殊嘅六碳糖激酶,叫葡萄醣激酶。呢種酵素專對葡萄醣,唔會乜六碳糖都有作用,而且葡萄醣-6-磷酸嘅抑製作用,對佢無效。佢對葡萄醣嘅米氏常數係5~10毫摩爾/升,高過六碳醣激酶嘅0.1毫摩爾/升好多,根據米氏常數嘅意義,葡萄醣濃度非常高嗰時,佢先起作用。由於肝係醣原嘅重要生成器官,因此當血糖濃度增高嗰陣,肝入便嘅葡萄醣激酶就運作,產生葡萄醣-6-磷酸,肝用佢嚟合成肝醣原。但係,合成呢種酵素,要受胰島素誘導,因此,糖尿病人,體內缺乏胰島素,肝入便呢種酵素嘅合成速率低,肝入便葡萄醣,轉成葡萄醣-6-磷酸就慢咗,分解葡萄醣同埋合成肝醣原嘅過程受阻。

輔因子:鎂離子


Template:酵素反應


葡萄糖解第二步,將葡萄醣-6-磷酸轉化成菓醣-6-磷酸,呢步有磷酸葡萄醣異構酶催化。前一步產物,葡萄醣-6-磷酸,會畀呢種酵素,將佢個氧原子,由一號碳移到二號碳,將佢異化成菓醣-6-磷酸(F6P)。

呢個反應,佢標準自由能變化\Delta G^{\circ'}=+0.4千卡/摩耳,由於自由能變化細,反應可以來回行都得,而呢個異構酵素亦要鎂離子,兼且要專對葡萄糖-6-磷酸同果糖-6-磷酸,由於產物F6P不斷畀下一階段消耗,造成F6P嘅濃度好低,反應掉轉頭進行嘅速率較低,如果醣-6-磷酸濃度好高,反應將遵守勒沙特列原理,產生出葡萄醣-6-磷酸。

Template:酵素反應
第三步,菓醣-6-磷酸酸化成菓醣-1,6-二磷酸,由磷酸菓醣激酶催化,呢個係醣解作用嘅第二個活化反應,將F6P嘅磷酸根轉移到一號碳位置產生右旋-菓醣-1,6-二磷酸。

呢個反應,佢個標準自由能變化\Delta G^{\circ'}=-3.40千卡/莫耳,故為唔可逆行反應。此反應為醣解作用中,第二個重要嘅控制點,喺細胞內磷酸菓醣激酶反應為唔可逆嘅。而磷酸菓醣激酶,與菓酬激酶一樣,屬於一種調節酶,且為肌肉醣解作用中,主要調節酶,受到三磷酸腺苷與單磷酸腺苷(AMP)數量比嘅影響。三磷酸腺苷過多時,三磷酸腺苷結合到酶嘅調控部位, 酶嘅構象變而受抑制;單磷酸腺苷會解除抑制此酶,令佢恢復高效狀態[2][3]。氫離子濃度高,會抑製此酶,故此血中乳酸多,即氫離子濃度增高,噉就抑制咗酶,令葡萄醣解效率下降,阻斷咗葡萄醣解下游生成乳酸嘅途徑,因此呢種調控有重要嘅生理意義。

輔因子:Mg2+

Template:酵素反應


前一步反應令分子失穩,噉令到六碳醣環,可以畀醛縮酶分成兩個三碳醣:二羥丙酮磷酸,一種酮,同埋甘油醛-3-磷酸,一種醛。有兩類醛縮酶:I 類醛縮酶,喺動物同植物入邊,同埋II類醛縮酶,喺真菌同細菌入邊;呢兩類醛縮酶,有唔同機制切斷酮醣環 Template:複雜酵素反應


磷酸三碳醣異構酶好快將二羥丙酮磷酸變成甘油醛-3-磷酸,後者進入葡萄醣解嘅後續步驟。咁非常有用,引導二羥丙酮磷酸進入同甘油醛-3-磷酸相同嘅途徑,

調控簡化。

Template:酵素反應

放能階段[編輯]

醣解作用嘅第二階段,係放能階段,呢個階段嘅目的,係產生高能分子三磷酸腺苷同NADH。因為一粒葡萄糖分子喺準備階段嗰陣,經已變成兩粒三碳醣分子,所以喺放能階段個個反應都會發生兩次。最後產生兩個NADH同四個三磷酸腺苷,令一粒葡萄醣分子,喺經過成個醣解作用之後,淨得兩個NADH同兩個三磷酸腺苷。 三磷酸腺苷會用喺其它需要能量嘅反應,二個NADH就會入到呼吸鍊,或者做還原劑,參與細胞入邊其它還原加氫反應。

兩個三碳糖分子氧化咗之後又得到一分子無機磷酸,成咗1,3-二磷酸甘油酸(1,3-BPG)。

被攞走嘅氫用於還原氫載體NAD+,形成NADH。

Template:酵素反應


呢步反應係磷酸甘油酸激酶將甘油酸-1,3-二磷酸嘅磷酸基團轉移到ADP嗰度,形成甘油酸-3-磷酸同一份子ATP,喺呢一步,葡萄糖解過程達到咗能量收支平衡:2分子ATP喺先前嘅反應度消耗咗,而喺呢步反應入邊有兩分子ATP被合成。呢步反應作為兩步底物水平磷酸化嘅一步,以ADP作為底物,所以當細胞ATP水平較高嗰陣,呢步反應被抑制;因此呢步反應亦係葡萄糖解過程中重要嘅控速步驟之一。 Template:酵素反應


磷酸甘油酸變位酶催化形成甘油酸-2-磷酸. Template:酵素反應


烯醇化酶催化由甘油酸-2-磷酸轉化成磷酸烯醇式丙酮酸.

輔基: 兩個Mg2+:

Template:酵素反應


最後一步底物水平磷酸化丙酮酸激酶催化,形成一份子丙酮酸同一分子ATP。

輔基: Mg2+

Template:酵素反應

葡萄糖解中嘅不可逆反應[編輯]

人體可通過葡萄糖逆生,即由非糖化合物,例如丙酮酸同乳酸等物質重新合成葡萄糖。葡萄糖逆生係以丙酮酸做原料進行。葡萄糖逆生嘅其中七步反應係葡萄糖解嘅逆反應,佢哋由相同嘅酵素催化。但係葡萄糖解中有三步反應,係不可逆反應。喺葡萄糖逆生嗰陣必須兜過呢三步反應,代價係更多嘅能量消耗。

呢三步反應都係強放能反應,佢哋分別係:

  1. 葡萄糖經六碳糖激酶催化產生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產生丙酮酸ΔG= -16.7 kJ/mol

葡萄糖解中嘅控制點[編輯]

生物體可以精確調節葡萄糖解,噉樣一方面可以滿足機體對能量嘅需要,另一方面又唔會造成浪費。同時,當細胞內重進行葡萄糖逆生嘅時候,調節就顯得好重要,因為要避免空循環嘅發生。

調節係通過改變底物濃度,酵素嘅活性實現嘅。

磷酸果糖激酶係其中最重要嘅限速酵素,亦係巴斯德效應嘅關鍵參與者,佢亦決定咗葡萄糖逆生嘅速度,成為控制點。AMP嘅濃度越高,酵素嘅活性越高。就係當機體大量消耗咗ATP,而相應又產生咗非常多AMP嘅時候,酵素嘅活性提高,令葡萄糖解按生成ATP嘅方向快速前進,以提高ATP產量。

NADH嘅去路[編輯]

喺細胞入面,NADH同埋NAD+係處於動態平衡嘅。喺葡萄糖解過程中產生嘅NADH必須被進一步氧化,轉化成NAD+先至能夠使葡萄糖解持續進行。另外,足夠嘅NAD+係3磷酸甘油醛成為1,3二磷酸甘油酸呢一步反應嘅重要前提。喺呢个過程入便NAD+會被還原成NADH+H+,即係氫載體,通過穿梭將氫帶入呼吸鏈[4]

NAD+嘅再生可通過下边呢三種唔同嘅過程嚟實現。

  1. 乳酸脫氫酶:由丙酮酸形成乳酸,呢个過程發生喺骨骼肌同部分微生物入便。
  2. 乙醇脫氫酶:經丙酮酸脫羧酶將丙酮酸轉變成乙醛,再由乙醛經乙醇脫氫酶催化還原形成乙醇,呢个過程發生喺大多數植物同一啲產乙醇嘅微生物入边。人類基因組可以編碼乙醇脫氫酶,但係並冇編碼丙酮酸脫羧酶嘅基因,因此無辦法將丙酮酸轉化成乙醇。
  3. 線粒體穿梭:經線粒體穿梭途徑進入線粒體嘅呼吸鏈產生ATP。

能量轉化[編輯]

平衡點[編輯]

產生1,6-二磷酸果糖後嘅大部分反應都係向能量升高嘅方向進行嘅,冇咗酵素(磷酸果糖激酶(PFK),磷酸甘油酸激酶(PGK))嘅催化,係唔會無喇喇進行嘅。而葡萄糖解嘅逆過程-葡萄糖逆生(從甘油等非糖物質產生葡萄糖)就好容易進行,呢個過程用到大部分喺葡萄糖解入邊出現過嘅酵素,除咗前邊提到嘅兩位「車夫」外,佢哋淨係出現喺葡萄糖解入邊。喺葡萄糖逆生,呢兩步逆反應會放出大量嘅熱,分別係-14 同埋-24 kJ/mol。

冇氧環境同有氧環境嘅能量轉化[編輯]

睇埋:科里循環

喺葡萄糖解,一分子葡萄糖提供兩分子ATP。真核生物線粒體可以同時從兩分子丙酮酸入邊另外獲得36分子ATP。能量轉化嘅多少取決於喺細胞質入邊產生嘅NADH + H+通過線粒體膜嘅方式。

唔論喺冇氧定係有氧環境,葡萄糖解成丙酮酸呢個過程都可以進行。3-磷酸甘油醛喺3-磷酸甘油醛脫氫酶GAPDH嘅作用下脫氫。攞走咗嘅氫離子會將氧化劑(輔酶)NAD+還原成NADH + H+。 NAD+會喺呼吸鏈度再生。若果喺冇氧環境,放熱嘅(ΔGo´ = - 25 kJ/mol)乳糖脫氫酶(LDH)反應會再生NAD+:丙酮酸嘅還原會產生乳糖同再生NAD+(酵母會用另外兩種酶—丙酮酸脫羧酶同埋乙醇脫氫酶)。下圖可以講清楚呢个個過程:

葡萄糖解中嘅NAD+同NADH+H+循環

冇氧環境下邊葡萄糖解GAPDH-同LDH-反應嘅相互聯繫,除咗少部分NADH+H+會被磷酸甘油脫氫酶(GDH)轉化外,大部分會用於再生NAD+

參考[編輯]

  1. David L. Nelson & Michael M. cox. Lehinger. Principles of Biochemistry. 4th edition. Freeman. ISBN 0- 7167-4339-6.
  2. Reeves, RE; South DJ, Blytt HJ and Warren LG. 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 KB, 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. Stryer et al. Biochemistry, WH Freeman Complany, 2006. ISBN 0-71-678724-5