生物化學/糖酵解

介紹

糖酵解是葡萄糖被分解成兩個丙酮酸分子的過程。事實上，糖酵解被認為是十個酶介導步驟的線性途徑。糖酵解途徑有兩個階段：能量投資階段和能量生成階段。糖酵解的前五個步驟是能量投資“準備階段”，產生3-磷酸甘油醛。能量生成階段是糖酵解的最後五個步驟，產生最終的兩個丙酮酸分子產物。糖酵解發生在細胞質中，可以在沒有氧氣的情況下進行。在體內，糖酵解的葡萄糖來源來自膳食二糖和單糖。

糖酵解是碳水化合物代謝的第一步，其最終結果是將葡萄糖轉化為二氧化碳和水。當葡萄糖完全氧化為二氧化碳時，大量能量被轉化為ATP。

在糖酵解過程中，會生成兩個NADH分子和淨兩個ATP分子（兩個ATP分子用於啟動該途徑，但隨後會合成四個分子）。因此，每個葡萄糖分子轉化為兩個丙酮酸分子，都會淨產生兩個ATP分子。

在這個過程結束時，只有少部分葡萄糖能量被釋放，其餘的潛在能量仍然存在於丙酮酸分子中，丙酮酸分子會被進一步氧化，首先轉化為乙醯輔酶A，然後透過三羧酸迴圈轉化為二氧化碳。從三羧酸迴圈中獲得的NADH和FADH₂進入電子傳遞鏈，透過氧化磷酸化產生ATP。因此，有氧降解比無氧代謝效率更高。這就是為什麼有氧機制現在在生物體中更加普遍，但即使在動物的某些生理情況下，無氧途徑仍然發生。

概述

糖酵解是碳水化合物分解代謝的主要途徑，其中六碳糖被分解成三碳化合物，隨後釋放能量，用於將ADP轉化為ATP。糖酵解可以在厭氧（無氧）和有氧條件下進行。

糖酵解是一個10步途徑，將葡萄糖轉化為2個丙酮酸分子。糖酵解的總反應可以寫成一個淨方程式

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

糖酵解酶

1. 己糖激酶 (HK)
2. 磷酸葡萄糖異構酶 (PGI)
3. 磷酸果糖激酶 (PFK)
4. 醛縮酶 (ALDO)
5. 磷酸三糖異構酶 (TPI)
6. 3-磷酸甘油醛脫氫酶 (GAPDH)
7. 磷酸甘油酸激酶 (PGK)
8. 磷酸甘油酸變位酶 (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)
• 磷酸二羥丙酮 (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

視覺概述

階段 I: 能量投資（步驟 1-5）

階段 II: 能量收穫（步驟 6-10）

十步的詳細描述

步驟 1: 葡萄糖在第 6 個碳處被磷酸化，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

進入細胞的葡萄糖只有一個命運：它被典型的激酶反應轉化為 6-磷酸葡萄糖。當葡萄糖被磷酸化時，它就被困在細胞內部，因為第 6 個碳處的磷酸基團推動磷脂膜，因此 6-磷酸葡萄糖甚至不能接近質膜。

ATP 被用作磷酸基團儲存庫。

Mg²⁺ 被發現是該酶的輔因子。Mg²⁺ 的存在遮蔽了 ATP 磷酸基團上的電荷。因此，化合物可以更容易地靠近。

在反應中，焦磷酸鍵被斷裂（-7.5 kcal/mole），並形成一個磷酸酯鍵（+3 kcal/mole），導致淨值 -4.0 kcal/mole。因此，可以得出結論，產物（6-磷酸葡萄糖）比反應物（葡萄糖）能量更低。能量更低意味著更穩定。因此，產物比反應物更穩定。這種條件使得反應不可逆。

步驟 2: 6-磷酸葡萄糖的異構化，由磷酸葡萄糖異構酶催化

δG⁰ = +1.7 kJ/mol

這種轉化是可逆的。透過將 6C 環狀化合物轉化為 5C 環狀化合物，其中包括環狀部分中的氧原子，如在 6C 化合物中所見，它的目的是產生一個能夠被分裂成兩個碳含量相等（3C）化合物的分子。

步驟 3: 第二個磷酸化反應，由磷酸果糖激酶催化

δG⁰ = -18.5 kJ/mol

在這一步的幫助下，分裂成兩個碳含量相等（3C）的化合物在磷酸基團方面也得到了平衡。

再次，Mg²⁺ 被發現是該酶的輔因子。它的功能與步驟 1 中所見類似。

這個反應是不可逆的，可以從它的負 δG⁰ 推斷出來。

步驟 4: 分裂成兩個三碳磷酸，由醛縮酶催化

δG⁰ = +28 kJ/mol

現在，產生了兩個 3C 分子。

步驟 5: 磷酸二羥丙酮的異構化，由磷酸三糖異構酶催化

δG⁰ = +7.6 kJ/mol

在這一步之後，每個反應都會發生兩次，因為存在 2 個 3-磷酸甘油醛分子用於後續步驟。

步驟 6: 生成 1,3-二磷酸甘油酸，由 3-磷酸甘油醛脫氫酶催化

δG⁰ = +6.3 kJ/mol

在這裡，目標是插入磷酸基團，該磷酸基團稍後將被轉移到 ADP 以生成 ATP。還會生成 NADH。

步驟 7: 透過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，即步驟 7。

步驟 8: 將磷酸基團從 3-磷酸甘油酸的第 3 個碳轉移到第 2 個碳，由磷酸甘油酸變位酶催化

δG⁰ = +4.4 kJ/mol

透過這個反應的影響，在 PEP（步驟 8 的產物）中實現了共振。

步驟 9: 合成磷酸烯醇丙酮酸，由烯醇化酶催化

δG⁰ = +1.7 kJ/mol

發生水的逸出。

步驟 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

產生 ATP。丙酮酸從烯醇式快速非酶促地互變異構為酮式。這是糖酵解的最後一步，也是不可逆步驟之一。

參考文獻

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