上海交大 中文翻译 生物化学课本：第16章 糖酵解

第十六章糖酵解（glycolysis）和糖异生作用

（gluconeogenesis）

Micheal Johnson在奥林匹克200米短跑半决赛中创纪录。葡萄糖代谢产生的ATP驱动肌肉收缩。在短跑过程中，如果ATP的需求超过氧气供应，则葡萄糖代谢成乳酸（A）。如果氧气足量，葡萄糖能有效地代谢成二氧化碳和水。

我们遇到的第一个代谢途径是糖酵解。这是生物系统使用的一个古老的代谢途径。糖酵解途径是将一个葡萄糖分子代谢成两个丙酮酸，同时产生两个ATP的代谢途径。糖酵解不需要氧气。因此糖酵解途径在地球出现足量氧气之前，生物建立了这种代谢途径。丙酮酸能进一步加工，产生乳酸（乳酸发酵）或乙醇（乙醇发酵）。在有氧条件下，丙酮酸被彻底氧化成CO2，产生更多的ATP(见第17章和第18章）。图16.1指出糖酵解产生的丙酮酸的可能的命运。

1

图16.1 葡萄糖可能的代谢命运。

由于葡萄糖是珍贵的燃料。葡萄糖的代谢产物如丙酮酸和乳酸在糖异生作用中用来合成葡萄糖。尽管糖酵解和糖异生有些酶是共用的，但是这两个途径不是简单的互逆过程。尤其是糖酵解过程中产能的几步反应是不可逆反应，在糖异生过程中需要采用其它反应绕道过去。两个代谢途径相互调节，使糖酵解和糖异生作用在同一细胞同时发生的程度很低。

谈起人类对葡萄糖代谢，尤其是糖酵解的研究，就有很多历史故事。实际上，生物化学的建立与糖酵解的阐明密不可分。Hans Buchner和Eduard Buchner在1897年相当偶然地有一个关键发现。他们对酵母无细胞抽提液可能的治疗作用很感兴趣。要求不用抗菌剂（如苯酚）将这些抽提液保存。此时他们决定使用蔗糖，厨房常用的保存剂。他们获得了惊人的结果：蔗糖被酵母抽提液迅速降解成乙醇。这个发现的意义是巨大的。他们首次证实发酵可以在细胞外进行。当时大家普遍接受1860年Louis Pasteur宣称发酵离不开活细胞的概念。Buchners的偶然发现否定了Pasteur的活力论观点，开创了生物化学的新时代。他们的发现鼓舞人们寻找蔗糖转化成乙醇的生物催化剂。代谢研究成为生物化学研究的内容。

随后，肌肉抽提液的研究显示，乳酸发酵的很多反应与乙醇发酵的很多反应相同。这个发现揭示生命的化学是统一的。主要是Gustav Embden, Otta Meyerhof, Carl Neuberg,

2

Jacob Parnas, Otto Warburg, Gerty Cori, 和CarlCori的贡献，1940年完全阐明了糖酵解的全过程。糖酵解也被称为Embdem-Meyerhof途径。

葡萄糖来自每日饮食的碳水化合物

典型地，我们每天消耗少量糖元和饮食内的大量淀粉。这些复杂糖类必需转化成简单的碳水化合物才能被小肠吸收，在血液运输。淀粉和糖元主要被胰脏淀粉酶降解，少部分被唾液的淀粉酶降解。淀粉酶只能断裂淀粉的1,4-糖苷键，不能断裂淀粉的1,6-糖苷键。淀粉酶降解淀粉的产物分别是麦芽糖(maltose，二糖)或麦芽三糖（maltotriose，三糖)。,6-糖苷键没有降解的产物称为极限糊精（limit dextrin)。

蔗糖酶将蔗糖降解成两个葡萄糖。-葡糖苷酶（glucosidase）将麦芽糖和其它逃过a-淀粉酶降解的寡糖降解成极限糊精。极限糊精酶进一步降解极限糊精。麦芽糖酶和葡糖苷酶与蔗糖酶（能够将蔗糖转化成葡萄糖和果糖）一样位于小肠细胞表面。乳糖酶负责乳糖降解成半乳糖和葡萄糖。单糖运入小肠细胞，然后在血液运输。

葡萄糖是大多数生物重要的燃料

葡萄糖是普遍使用的重要燃料。非饥饿条件下，哺乳动物的大脑以葡萄糖作为唯一燃料，也是红细胞使用的唯一燃料。实际上，几乎所有生物都能利用葡萄糖，大多数生物处理葡萄糖的方式相似。在第11章我们介绍了很多糖。为什么只有葡萄糖是最显著的燃料分子？我们怀疑有下列原因。（1）葡萄糖可能是生命前世界条件下从甲醛形成的几种含单糖之一。在原始生命系统中葡萄糖就充当燃料。（2）与其它单糖相比，葡萄糖在蛋白质的非酶促糖

3

基化方面倾向性低。开环的链状结构中，葡萄糖的醛基与蛋白质氨基进行希弗碱，重排后形成更稳定的氨基-酮连接。这种非特异性修饰通常不能有效地行使其蛋白功能。葡萄糖分子中大多数呈环状结构，因此非特异性修饰蛋白质发生的几率很低。构型的葡萄糖中所有羟基都处于糖基环平面的水平键上，因此环状葡萄糖稳定性很高。

16.1 糖酵解是很多生物能量转化的途径之一

现在介绍糖酵解途径。基本上所有细胞（包括原核细胞和真核细胞）都有糖酵解途径。在真核细胞，糖酵解在细胞质中进行。糖酵解途径分三个阶段（图16.2）。第一阶段，葡萄糖转化成果糖1,6-二磷酸，有三个反应步骤（磷酸化，异构化，第二次磷酸化）。糖酵解起始反应的策略是将葡萄糖分子限定在细胞内，形成一种能够被转化成磷酸化三碳单位的化合物。第二阶段是将果糖1,6-二磷酸裂解成两个三碳组分，这两种三碳组分可以相互转化。在第三阶段，三碳组分氧化成丙酮酸，产生ATP。

糖酵解的第一阶段。己糖激酶将葡萄糖磷酸化，启动第一阶段的三个反应步骤。

4

图16.2 糖酵解的各个阶段。糖酵解途径可以分成3个阶段：（1）葡萄糖被捕获并转化成不稳定状态；（2）六碳原子的果糖被断裂成两个可以互相转化的三碳化合物；（3）产生ATP。

5

己糖激酶将葡萄糖限定在细胞内，启动糖酵解

经特定的转运蛋白，葡萄糖进入细胞。进入细胞的葡萄糖的主要出路是被ATP磷酸化成葡萄糖-6-磷酸。有两种理由使这一反应值得注意。（1）葡萄糖-6磷酸不能被运输到细胞外，因为磷酸化后的葡萄糖不再是葡萄糖运输蛋白的底物。（2）磷酸基团的加入使葡萄糖稳定性降低，有助于它进一步代谢。己糖激酶催化ATP磷酸转移给葡萄糖第六位碳原子。

磷酸转移是生物化学的基本反应。激酶能催化ATP的磷酸向受体分子转移。己糖激酶催化ATP的磷酸基团转移给不同的六碳糖（如葡萄糖，甘露糖）。己糖激酶与腺苷酸激酶及其他激酶一样，其催化活性需要Mg2+（或其他二价金属离子如Mn2+)。二价金属离子与ATP分子形成复合物。

X-射线晶体衍射研究显示酵母己糖激酶与葡萄糖结合诱导酶蛋白构型发生显著变化。己糖激酶有两个叶片（lobe）结构。与葡萄糖结合导致两个叶片相互靠近（图16.3）。与葡萄糖结合，一个叶片相对于另一叶片旋转12o，导致多肽链骨架移动8 A。两个叶片之间的裂缝关闭，结合的葡萄糖被蛋白质包裹（除了第六位碳原子外）。第六位碳原子接受自ATP 转移的磷酸基团。己糖激酶两个叶片靠近是酶促反应的诱导匹配模型的著名实例。

6

图16.3 己糖激酶诱导匹配。没有葡萄糖，己糖激酶的两个叶片相互分离（蓝色）。与葡萄糖结合后，己糖激酶的构想发生显著变化（红色）。酶分子的两个叶片相互靠近，包裹底物，制造出催化反应必须的环境。

葡萄糖诱导的结构变化具有两方面的意义。首先，葡萄糖周围的环境变得更加疏水，有利于ATP末端磷酸基团向葡萄糖转移。其次，构像变化有助于酶选择性地将磷酸转移给底物分子而不会转移给水分子。关闭的裂缝使水分子无法进入活性位点。如果己糖激酶是刚性分子，水分子占据本应结合葡萄糖CH2OH的位点就能够攻击ATP 的磷酸。这样一来就会形成ADP和Pi。换句话说，刚性己糖激酶将具有ATPase活性。有趣的是，参与糖酵解途径的其他激酶（磷酸果糖激酶，磷酸甘油酸激酶，和丙酮酸激酶）分子的两个叶片之间也有裂缝，与底物结合叶片靠近能够关闭裂缝（虽然这些酶分子在结构的其他方面有很大差异）。底物诱导裂缝关闭是激酶的一个共有特征。

7

葡萄糖6-磷酸转化成果糖1,6-二磷酸

糖酵解的下一步是将葡萄糖6-磷酸异构化，生成果糖6-磷酸。线状葡萄糖分子的C-1是醛基，而线状果糖分子C-2是酮基。因此葡萄糖6-磷酸异构生成果糖6-磷酸是将醛基糖转化成酮基糖。催化此步反应的酶是磷酸葡萄糖异构酶。这种异构化有好几步才能完成（因为6-磷酸葡萄糖和6-磷酸果糖主要是环状分子）。异构酶首先将环状的6磷酸葡萄糖开环，生成线性6-磷酸葡萄糖，异构化后，环化生成五元环的果糖6-磷酸。

异构完成后，进行第二次磷酸化。果糖6-磷酸被ATP磷酸化成果糖1,6-二磷酸（Fructose 1,6-bisphosphate, F-1,6-BP)。磷酸的前缀bis表示“二”个独立的磷酸基团，而前缀di表示用酸酐键连接的两个磷酸基团（如ADP，adenosine diphosphate)。

磷酸果糖激酶（PFK）催化该反应。这个酶是别构酶，将葡萄糖置于糖酵解的不归路。后面我们将看到，此酶在真核代谢途径方面起中心作用。

8