第22章 糖酵解作用
22.1 复习笔记
一、糖酵解过程概述
1．ATP两种形成途径
（1）由葡萄糖彻底氧化为CO2和水并释放出大量ATP；
（2）是在无氧条件下，由葡萄糖降解为丙酮酸，并在此过程中产生2分子ATP。
2．糖酵解概念
糖酵解是指无氧条件下葡萄糖进行分解，1个葡萄糖分子形成2分子丙酮酸并提供能量的过程。
（1）有氧条件丙酮酸进入线粒体，经三羧酸循环彻底氧化生成CO2和H2O。
（2）无氧条件下丙酮酸由NADH还原成乳酸，高等动物肌肉组织中糖酵解最终产物为乳酸。
酵解作用的反应式为
酒精发酵作用的反应式：
3．糖酵解过程的划分
从葡萄糖转变为乳酸是物质的分解过程，其中伴随有自由能的释放，即放能过程；
ADP和无机磷酸形成ATP，则是吸收能量的过程。
4．糖酵解的生理意义
糖酵解过程由葡萄糖到所有的中间产物都是以磷酸化合物的形式来实现的。中间产物磷酸化至少有三种意义：
（1）带有负电荷的磷酸基团使中间产物具有极性，从而不易透过脂膜而失散；
磷酸基团在各反应步骤中，对酶来说起到信号基团的作用，有利于与酶结合而被催化；
磷酸基团经酵解作用后，最终形成ATP的末端磷酸基团，因此具有保存能量的作用。
5．糖酵解的步骤
糖酵解过程从葡萄糖到形成丙酮酸共包括10步反应，可划分为两个主要阶段。前5步为准备阶段，反应过程如图22-1所示。
图22-1 糖酵解的准备阶段
后5步为产生ATP的贮能阶段。磷酸三碳糖转变成丙酮酸。每分子三碳糖产生2分子ATP。整个过程需要10种酶。这些酶都存在于胞质溶胶中，大部分过程都有Mg2＋离子作为辅助因子。
二、糖酵解和酒精发酵的全过程图解
酵解和酒精发酵基本路线完全相同，只是在形成丙酮酸以后才有差异。丙酮酸转化为乳酸时称为酵解；丙酮酸转化为乙醛、乙醇时，称为发酵。糖酵解和发酵的全过程如图22-2所示。
图22-2 糖酵解和发酵的全过程图解
图中数字代表：（1）己糖激酶（2）磷酸葡萄糖异构酶（3）磷酸果糖激酶（4）醛缩酶（5）磷酸丙糖异构酶（6）磷酸甘油醛脱氢酶（7）磷酸甘油酸激酶（8）磷酸甘油酸变位酶（9）烯醇化酶（10）丙酮酸激酶（11）非酶促反应（12）乳酸脱氢酶（13）丙酮酸脱羧酶（14）乙醇脱氢酶
三、糖酵解第一阶段的反应机制
1．葡萄糖的磷酸化
（1）反应式为
葡萄糖发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，可简写为G6P。这是一个磷酸基团转移的反应，即ATP的磷酸基团在己糖激酶催化下转移到葡萄糖分子上。此反应必须有Mg2＋的存在。
（2）葡萄糖与ATP的反应机制
反应中葡萄糖第6位碳原子上的羟基氧原子上有一孤电子对，它向Mg2＋-ATP的γ-磷原子进攻使得γ-磷原子具有亲电子性质。其结果促使γ-磷原子与β-磷原子之间氧桥所共有的电子对向氧原子一方转移，于是ATP的γ-磷酸基团与氧桥断键并与葡萄糖分子结合成葡萄糖-6-磷酸。
（3）己糖激酶
①催化葡萄糖形成葡萄糖-6-磷酸反应的酶称为己糖激酶，激酶是能够在ATP和任何一种底物之间起催化作用，转移磷酸基团的一类酶。六碳糖激酶存在于所有细胞内。
②己糖激酶是一种调节酶，受它催化的反应产物G6P和ADP的变构抑制。
③在肝脏中还存在一种专一性强的葡萄糖激酶又称葡糖激酶。这种酶在维持血糖的恒定中起作用。
④己糖激酶的种类：从动物组织中分离得到4种电泳行为不同的己糖激酶，分别称为I、II、III、IV型，它们在机体的分布情况不同，催化的性质也不完全相同。分别总结如表22-1所示。
（4）参与反应的ATP和Mg2＋
参与上述反应的ATP，必须与Mg2＋形成Mg2＋-ATP复合物。未形成复合物的ATP分子对己糖激酶有强的竞争性抑制作用。
（5）萄糖磷酸激酶
①葡萄糖磷酸激酶不受G6P的抑制。当葡萄糖浓度相当高时，葡萄糖激酶才起作用。
②当血液中和肝细胞内游离葡萄糖的浓度增高时，它催化葡萄糖形成G6P，该物质是葡萄糖合成糖原的中间物，由肝脏合成糖原。
表22-1 己糖激酶的种类特性
2．萄糖-6-磷酸异构化形成果糖-6-磷酸
（1）反应式
（2）磷酸葡萄糖异构酶
磷酸葡萄糖异构酶又称磷酸葡糖异构酶。该酶活性部位的催化残基可能是赖氨酸（Lys）和组氨酸（His）。催化反应的实质包括一般的酶促酸-碱催化机制。反应机制如图22-3所示。
图22-3 磷酸葡萄糖异构化酶催化的反应机制
（3）磷酸葡萄糖异构酶的专一性
磷酸葡萄糖异构酶有绝对的底物专一性和立体专一性。6-磷酸葡糖酸（6PG）、赤藓糖-4-磷酸（E4P）、景天庚酮糖-7-磷酸（S7P）等对磷酸葡萄糖异构酶都是竞争性抑制剂。
3．果糖-6-磷酸形成果糖-l,6-二磷酸
（1）反应方程式
这一步是糖降解或酒精发酵过程中的第二个磷酸化反应，也是糖酵解过程使用第二个ATP分子的反应。果糖-6-磷酸被ATP进一步磷酸化形成果糖-1,6-二磷酸。反应方程式为：
（2）磷酸果糖激酶（PFK）
催化此反应的酶称为磷酸果糖激酶。该酶需要Mg2＋参加反应，其他2价金属离子也有一定作用。该酶的催化机制和己糖激酶催化的反应机制基本一致。如图22-4所示。
图22-4 果糖-6-磷酸与ATP的结合机制
（3）磷酸果糖激酶的变构效应
磷酸果糖激酶是一种变构酶。它的催化效率很低，糖酵解的速率严格地依赖该酶的活力水平。它是哺乳动物糖酵解途径最重要的调控关键酶。活性受到许多因素的控制。
①肝中的磷酸果糖激酶受高浓度ATP的抑制。ATP可降低该酶对果糖-6-磷酸的亲和力。
②ATP对该酶的变构抑制效应可被AMP解除。因此ATP/AMP的比例关系对此酶有明显的调节作用。
③当pH下降时，H＋对该酶有抑制作用。在生物体内这种抑制作用具有重要的生物学意义。
a．可防止血液pH的下降，有利于避免酸中毒；
b．可以阻止整个酵解途径的继续进行，从而防止乳酸的继续形成。
（4）磷酸果糖激酶的同工酶
从兔分离得到的磷酸果糖激酶，有三种同工酶，分别称为磷酸果糖激酶A、B、C。
①同工酶A存在于心肌和骨骼中，对磷酸肌酸、柠檬酸和无机磷酸的抑制作用最敏感。
②同工酶B存在于肝和红细胞中，对2,3-二磷酸甘油酸（BPG）的抑制作用最敏感。
③同工酶C存在于脑中，对腺嘌呤核甘酸的作用最敏感。
4．果糖-1,6-二磷酸转变为甘油醛-3-磷酸和二羟丙酮磷酸
（1）反应方程式
（2）醛缩酶类型
醛缩酶有两种不同的类型：I和II型。它们的性质特点总结如表22-2所示。
表22-2 缩醛酶的类型及其特性
（3）醛缩酶I型的催化步骤
该酶的催化步骤可分为5步，反应机制如图22-5所示。
图22-5 醛缩酶I型的催化步骤机制
圈内赖氨酸、组氨酸和半胱氨酸三个残基直接参与酶的催化反应，圆圈表示酶活部位。
5．二羟丙酮磷酸转变为甘油醛-3-磷酸
果糖-1,6-二磷酸裂解后形成的两分子三碳糖磷酸中，只有甘油醛-3-磷酸能继续进入糖酵解途径，二羟丙酮磷酸必须转变为甘油醛-3-磷酸才能进入糖酵解途径。
（1）丙糖磷酸异构酶概念
丙糖磷酸异构酶是催化二羟丙酮磷酸转化成甘油醛-3-磷酸形成的酶。在该酶催化下，二羟丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸可以互变，它们之间是醛酮化合物的互变异构关系，通过一个共同中间体即顺式-单烯二羟负离子中间体。
（2）丙糖磷酸异构酶的活性部位
丙糖磷酸异构酶的活性部位是以谷氨酸残基的游离羧基与底物相结合。
（3）丙糖磷酸异构酶的的催化特点
①丙糖磷酸异构酶的催化反应极其迅速，只要酶与底物分子一旦相互碰撞，反应即刻完成。因此，任何加速丙糖磷酸异构酶催化效率的措施都不能再提高它的反应速度。
②羟丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸总是维持在反应的平衡状态。
五、酵解第二阶段—放能阶段的反应机制
酵解的第二阶段包括氧化-还原反应、磷酸化反应。这些反应是从甘油醛-3-磷酸提取能量形成ATP分子的过程。
1．甘油醛-3-磷酸氧化成1,3-二磷酸甘油酸
（1）反应式
甘油醛-3-磷酸的氧化和磷酸化是在甘油醛-3-磷酸脱氢酶的催化下，由NAD＋和无机磷酸参加实现的。反应中醛基氧化释放的能量推动了1,3-二磷酸甘油酸（1,3-BGP）的形成，1,3-BGP是一个酰基磷酸，具有高能磷酸基团转移势能。
（2）甘油醛-3-磷酸脱氢酶的机制
①-S-H的H为酸性，酶分子上的孤电子对向H进攻；
②-S-H形成-S：向醛分子的羰基C进攻形成半缩硫醛中间产物；
③醛分子与原羰基相连的H以（H-）形式脱离，与氧化型的NAD＋结合形成NADH及硫酯；
④被还原的NADH立即脱离酶分子，同时酶又结合上另一氧化型NAD＋；
⑤磷酸分子向硫酯进行亲核攻击，使硫酯键断键形成游离的1,3-二磷酸甘油酸，同时酶恢复原状。
（3）砷酸盐破坏1,3-二磷酸甘油酸的形成
砷酸化合物是很不稳定的化合物，它迅速地进行水解，其结果是砷酸盐代替磷酸与甘油醛-3-磷酸结合并氧化，生成3-磷酸甘油酸而不是1,3-二磷酸甘油酸。
（4）砷酸盐的抑制的机制
砷酸盐在结构和反应方面都和无机磷酸极为相似，能代替磷酸进攻硫酯中间产物的高能键。在砷酸盐存在下糖酵解没有形成高能磷酸键。反应产物释放的能量未能与磷酸化作用相偶联而被贮存。因此砷酸盐起着解偶联的作用，即解除了氧化和磷酸化的偶联作用。
2．1,3-二磷酸甘油酸转移高能磷酸基团形成ATP
在磷酸甘油酸激酶的催化下，1,3-二磷酸甘油酸将其以高能酸酐键连接在碳1位上的高能磷酸基团转移到ADP分子上形成ATP分子（此过程中产生了第一个ATP），1,3-二磷酸甘油酸则转变为3-磷酸甘油酸。
3．3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸
（1）磷酸甘油酸变位酶
①变位酶是指催化分子内化学基团移位的酶。
②磷酸甘油酸变位酶催化3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸。磷酸甘油酸变位酶的活性部位结合有一个磷酸基团。当3-磷酸甘油酸作为酶的底物结合到酶的活性部位后，原来结合在酶活性部位的那个磷酸基团便立即转移到底物分子上，形成一个与酶结合的二磷酸。
（2）磷酸甘油酸变位酶催化反应机制的实验根据
①磷酸甘油酸变位酶的催化机制需有2,3-二磷酸甘油酸作为引物；
②将极少量用32P标记的2,3-二磷酸甘油酸与酶一起保温发现，具有放射性的磷酸基团标记到酶的组氨酸残基上；
③用X射线观察酶的结构发现，在酶的活性部位（第8位的组氨酸残基）上有放射性磷标记的磷酸基团。
4．2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸
（1）反应式
（2）烯醇化酶
烯醇化酶在与底物结合前先与2价阳离子如Mg2＋或Mn2＋结合形成一个复合物，才有活性。烯醇化酶的催化作用可用由两个步骤组成。
①酶分子碱性残基的孤对电子吸引2-磷酸甘油酸C（2）上的H原子，使C（2）成为负碳离子从而形成负碳离子中间物。
②2-磷酸甘油酸C（3）上的-OH基团离开负碳离子中间物，从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团转移势能。
②氟化物是该酶强烈的抑制剂。其原因是氟与镁和无机磷酸形成一个复合物，取代天然情况下酶分子上镁离子的位置，从而使酶失活。
5．磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸并产生一个ATP分子
（1）反应式
（2）丙酮酸激酶
①丙酮酸激酶的催化活性需要2价阳离子参与，它是糖酵解途径中的一个重要变构调节酶。
②ATP、长链脂肪酸、乙酰-CoA、丙氨酸都对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对该酶都有激活作用。
③丙酮酸激酶至少有三种不同类型的同工酶。在肝脏中占优势的为L型。肌肉和脑中占优势的为M型，其他组织中的为A型。这些同工酶结构相似但调控机制不同。
六、由葡萄糖转变为两分子丙酮酸能量转变的估算
1．总反应式
2．酵解过程ATP的消耗和产生
表22-3 酵解过程中ATP的产生和消耗
3．酵解过程自由能量的变化
表22-4 酵解过程自由能量的变化
七、丙酮酸的去路
1．生成乳酸
动物在激烈运动时或由于呼吸、循环系统障碍而发生供氧不足时，丙酮酸作为NADH的受氢体使细胞在无氧条件下重新生成NAD＋，丙酮酸的羰基被还原，生成乳酸。反应式为：
在无氧条件下，每分子葡萄糖代谢形成乳酸的总方程式为：
（1）乳酸脱氢酶（LDH）
①特点
乳酸脱氢酶催化NADH被丙酮酸氧化为NAD＋的过程，具有绝对的立体专一性。
②同工酶
哺乳动物有两种不同的乳酸脱氢酶亚基。一种是M型（A型），一种是H型（B型）。这2种亚基类型构成5种同工酶：M4、M3H、M2H2、MH3、H4。这5种同工酶催化相同的反应，但对底物有特有的Km值。
a．M4和M3H型对丙酮酸有较小的Km；
b．MH3和H4型对丙酮酸有较大的Km值，即较低的亲和力；
c．心肌中是H4型，H4型对丙酮酸的亲和力最小。这确保了在心肌中丙酮酸不能转变为乳酸，而有利于丙酮酸脱氢酶的催化，使其朝有氧代谢方向进行。
（2）乳酸发酵
乳酸发酵是指以乳酸为终产物的厌氧发酵，生长在厌氧或相对厌氧条件下的许多细菌以乳酸为最终产物。
2．生成乙醇
酵母在无氧条件下，将丙酮酸转变为乙醇和CO2。这一过程包括两个反应步骤。
（1）丙酮酸脱羧形成乙醛
①丙酮酸脱羧酶
催化这一步反应的酶是丙酮酸脱羧酶。该酶在动物细胞中不存在。它以硫胺素焦磷酸（TPP）为辅酶。TPP以非共价键和酶紧密结合。
②丙酮酸脱羧酶的催化机制
a．TPP的活性碳原子对丙酮酸的羰基碳进行亲核攻击；
b．释放出CO2并生成一个共振稳定的负碳离子加合物，在这个加合物上TPP的噻唑环起着电子陷阱的作用；
c．负碳离子质子化；
d．乙醛被释放出又形成游离的活性酶。
（2）乙醛还原成乙醇同时产生氧化型NAD＋
催化这一反应的酶是含有4个亚基的乙醇脱氢酶。它的每个亚基结合一个NADH和一个Zn2＋。Zn2＋的作用是使乙醛的羰基极化，从而对NADH Pro-R的氢原子的转移有促进作用。这一氢原子转移到乙醛的re-面上，从而产生一个氢原子在Pro-R位的乙醇分子。
八、糖酵解作用的调节
1．磷酸果糖激酶是关键酶
（1）磷酸果糖激酶是哺乳动物酵解途径的重要调节酶，是糖酵解作用的限速酶。
（2）该酶受到高浓度ATP的抑制。高浓度的ATP使酶与底物果糖-6-磷酸的结合曲线从双曲线形变为S形（图22-6）。柠檬酸可通过加强ATP的抑制效应来抑制磷酸果糖激酶的活性，从而使糖酵解过程减慢。
图22-6 ATP对磷酸果糖激酶的抑制
2．果糖-2,6-二磷酸对酵解的调节作用
（1）果糖-2,6-二磷酸
①果糖-2,6-二磷酸是磷酸果糖激酶强有力的激动剂，它实质上是一个变构激活剂。它控制磷酸果糖激酶的构象转换，维持构象之间的平衡关系。
②在肝脏中，果糖-2,6-二磷酸提高果糖激酶与果糖-6-磷酸的亲和力并降低ATP的抑制效应。
（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。水解的产物是果糖-6-磷酸。
③磷酸果糖激酶2和果糖二磷酸酶2处于一条单一的多肽链上。它们的活性由酶分子上一个丝氨酸残基往复地磷酸化所控制。
（3）前馈刺激作用
果糖-6-磷酸既能加速果糖-2,6-二磷酸合成也能抑制该化合物被水解。因此，高的果糖6-磷酸浓度可导致高浓度果糖-2,6-二磷酸的形成。果糖-2,6-二磷酸又进一步激活果糖磷酸激酶。这种过程称为前馈刺激作用。
（4）协同控制作用
当葡萄糖缺乏时，血液中的胰高血糖素启动环AMP的级联效应引起该双重功能酶的磷酸化。酶的共价修饰激活果糖二磷酸酶2，并抑制磷酸果糖激酶2，导致果糖2,6-二磷酸减少。当葡萄糖过剩时，磷酸基团从酶分子上脱落，果糖-2,6-二磷酸的含量上升，糖酵懈过程加速。称为协同控制作用。
3．己糖激酶和丙酮酸激酶对糖酵解的调节作用
（1）己糖激酶的调节作用
己糖激酶的催化作用受到它催化生成的产物葡萄糖-6-磷酸的抑制。当磷酸果糖激酶不活跃，果糖-6-磷酸的浓度增加必然使葡萄糖-6-磷酸的浓度增加，使得己糖激酶受到抑制。
（2）丙酮酸激酶的调节作用
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-1,6-二磷酸对丙酮酸激酶的激活作用。
③当能量贮存足够时，ATP对丙酮酸激酶的变构抑制效应使酵解过程减慢。
④丙氨酸对丙酮酸激酶的变构抑制效应也使酵解过程减慢。
⑤丙酮酸激酶是通过磷酸化和去磷酸化转变其活性。其活跃形式如图22-7所示。
图22-7 丙酮酸激酶催化活性控制关系图
九、其他六碳糖进入糖酵解途径
1．果糖
（1）肌肉中的果糖酵解
（2）肝脏中的果糖酵解
肝脏中只含有葡萄糖激酶，因此果糖在肝脏中进入糖酵解途径需经过6种酶的催化。
①果糖由果糖激酶催化，在C（1）位磷酸化，消耗1个ATP分子，形成果糖-1-磷酸；
②果糖-1-磷酸进行醇、醛裂解形成二羟丙酮磷酸和甘油醛；
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甘油醛还可以早醇脱氢酶催化下，由NADH还原形成甘油；
⑤甘油在甘油激酶的催化下，消耗1分子ATP，转变为甘油-3-磷酸；
⑥甘油-3-磷酸在甘油磷酸脱氢酶催化下，由NAD＋氧化，形成二羟丙酮磷酸，二羟丙酮磷酸经酵解途径中的丙糖磷酸异构酶转变为甘油醛-3-磷酸，从而进入糖酵解途径。
（3）果糖不耐症
果糖不耐症是一种遗传病，是由于肝中缺乏B型醛缩酶。食入的果糖不能被正常代谢，也造成果糖-1-磷酸积累引起一系列和临床输入果糖同样的症状。这种病人对任何甜味都失去感觉。
2．半乳糖
（1）半乳糖转变为能进入糖酵解途径的中间产物过程
①半乳糖由半乳糖激酶催化其第一个碳原子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。催化此反应的酶称为尿苷酰转移酶。它催化尿苷酰基团从UDP-葡萄糖分子在焦磷酸键处断裂转移到半乳糖-1-磷酸的磷酸基团上。
③UDP-半乳糖转化为UDP-葡萄糖。催化此反应的酶称为UDP-半乳糖4-差向异构酶。此酶以NAD＋为辅酶。在转变中需经过氧化-还原过程。
④UDP-葡萄糖转变为葡萄糖-1-磷酸。催化此反应的酶为UDP-葡萄糖焦磷酸化酶。
⑤葡萄糖-1-磷酸由磷酸葡萄糖变位酶转变为糖酵解过程的中间产物葡萄糖-6-磷酸。
（2）半乳糖血症
半乳糖血症是一种遗传病。这种患者体内不能将半乳糖转化为葡萄糖。原因是缺乏半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶，不能使半乳糖-1-磷酸转变为UDP-半乳糖。结果使血中半乳糖积累，进一步造成眼睛晶状体半乳糖含量升高，并还原为半乳糖醇造成晶状体混浊引起白内障。
3．甘露糖
（1）反应式
（2）反应步骤
①甘露糖由己糖激酶催化转变为甘露糖-6-磷酸。
②甘露糖-6-磷酸由磷酸甘露糖异构酶催化转变为果糖-6-磷酸。