糖代謝(一)：糖酵解

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糖代謝(一)：糖酵解

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（本文圖片均選自Lehninger. Principles of Biochemistry)

這是葡萄糖代謝的第一步，也是核心的一步。糖酵解(glycolysis)途徑將葡萄糖(glucose)轉變為丙酮酸(pyruvate)，參加後續的過程。整個途徑可分為兩大階段(phase)：

$Glucose ->Glyceraldehyde-3-phosphate$

$Glyceraldehyde-3-phosphate->pyruvate$

第一階段是準備階段，需要消耗能量形成磷酸化的活化底物；後一階段是放能階段，逐步釋放能量並最終生成丙酮酸。

為何需要先將底物磷酸化呢？有以下三條原因：

葡萄糖通過細胞膜上的載體蛋白進出細胞，而磷酸化的葡萄糖則無法通過，因此把即將參加酵解的葡萄糖分子磷酸化，就可以使其無法通過載體離開細胞，從而將這些葡萄糖分子禁錮在胞漿內；
正如生物能學部分所述的，底物的磷酸化與去磷酸化是將吸能反應和放能反應與ATP的水解合成反應偶聯的一種方式。吸能反應所需的能量要由ATP水解來供給，放能反應放出的能量也不能直接釋放到外界（以熱的形式散發到外界，結果是可怕的）必須要合成ATP來儲存這部分能量，ATP也因此被稱為能量的通貨；
這些反應所需的酶很多都需要 $Mg^{2+}$ 來作為輔酶，但葡萄糖分子是不能與 $Mg^{2+}$ 結合的，而加上磷酸基團後帶負電荷的磷酸基團就能與 $Mg^{2+}$ 結合；

因此，糖酵解過程就以葡萄糖底物的磷酸化(phosphorylation)作為開始：

第一個問題是：誰來提供磷酸基團？

兩個候選人：無機磷酸、ATP（或其它高能磷酸化合物）

如果用無機磷酸來提供：

$Glucose+Pi ightarrow Glucose-6-phosphate$ $Delta G=+13.8kJ/mol$

其吉布斯自由能變大於零。

即葡萄糖的磷酸化是個吉布斯自由能增加的反應，需要額外的能量來驅動。因此我們只能選擇ATP來做磷酸基團的供體，利用ATP水解釋放的自由能來驅動葡萄糖的磷酸化：

$ATP ightarrow ADP+Pi$ $Delta G=-30.5 kJ/mol$

$Glucose+Pi ightarrow Glucose-6-phosphateDelta G=+13.8kJ/mol$

總：

$Glucose+ATP ightarrow Glucose-6-phosphate+ADPDelta G=-16.7kJ/mol$

一個ATP分子水解釋放的自由能30.5kJ大於一個葡萄糖分子磷酸化所需的自由能13.8kJ，因此可以用一個ATP分子水解來帶動一個葡萄糖分子的磷酸化，這就有了糖酵解第一步反應：利用ATP分子做磷酸基團供體，將葡萄糖分子磷酸化。

值得注意的是，磷酸化的位點是6號碳原子上的羥基，因為這一步的酶己糖激酶只能催化這一位點的磷酸化，猜測可能是由於這一步磷酸化的反應機理是醇羥基和磷酸的酯化反應，需要羥基去進攻磷酸，而C-6不在環里，空間位阻較小，反應比較容易進行。

因此要繼續加第二個磷酸基團，就必須再暴露出一個不在環里的-CH2OH。

那麼第二步反應就是異構化反應(isomerization)。

在異構酶(isomerase)的催化下，葡萄糖-6-磷酸變為果糖-6-磷酸，六元環變五元環，新暴露出了一個-CH2OH，來進行下一步的磷酸化反應。

這一步反應的標準吉布斯自由能變非常小，因此基本上是可逆的，因為由生物能學一章中推出的等溫式： $Delta G=Delta G_{0}+RTlnQ$ 得，很容易通過改變濃度商Q來改變△G：當Q取一個很小的值的時候，RTlnQ是一個很大的負值，因此△G也是一個負值；當Q取一個很大的值的時候，RTlnQ是一個很大的正值，因此△G也是一個正值；

異構化完成，就可以進行第二個磷酸化，同樣由於能量的關係，磷酸基團由ATP提供：

$Fructose-6-phosphate+ATP ightarrow Fructose-1,6-bisphosphate$

到這裡，經過三步反應，磷酸化完成。

現在要切底物了。

觀察1,6-二磷酸果糖，分子不是對稱的，中間有一個氧原子，右邊的2號碳上比左邊的5號碳多一個羥基，由於右邊已經多一個羥基氧了為了儘可能堆成就把中間的氧原子分到了左邊，這樣就得到了互為同分異構體的兩種產物：二羥丙酮磷酸和3-磷酸甘油醛。

注意到此反應有一個很大的正值吉布斯自由能變，看起來如果不額外供能的話是無法自發進行的。但是在細胞質中兩種產物的濃度很小很小，而底物的濃度相對很大，因此濃度商Q非常小，以至於由等溫式 $Delta G=Delta G_{0}+RTlnQ$ 得到的實際吉布斯自由能變依然是個負值，即此反應在細胞質環境中可以自發進行。

只有3-磷酸甘油醛可以繼續進行下面的反應。因此需要將二羥丙酮磷酸轉變為3-磷酸甘油醛。

同樣由異構酶催化，此反應的吉布斯自由能變很小，基本上是可逆反應。

到這裡，準備階段完成了，下面就將開始逐步放能。

前面已經講過，放能反應釋放的自由能不能直接釋放到外界中，必須要和ATP或者其它高能化合物的合成反應偶聯，將能量儲存在ATP中。由ADP合成ATP有兩種方式：底物水平磷酸化和氧化磷酸化，前者是直接由底物分子提供磷酸基團，後者是由底物提供能量利用無機磷酸提供磷酸基團。

真核細胞氧化磷酸化發生在線粒體的呼吸鏈上，而糖酵解的場所是細胞質基質，因此只能選擇底物水平磷酸化。

底物水平磷酸化需要底物提供磷酸基團，因此需要先把底物磷酸化。一個磷酸基團對應合成一個ATP。我們的3-磷酸甘油醛即將轉變為丙酮酸釋放的自由能足以生成2個ATP，即需要在底物上有2個磷酸基團，因此需要再帶上一個磷酸基團。

3-磷酸甘油醛，在脫氫酶(dehydrogenase)的催化下被氧化並結合一個無機磷酸變為1,3-二磷酸甘油酸，再帶上了一個磷酸基團，脫下的兩個氫原子一個以 $H^{-}$ 的形式為 $NAD^{+}$ 承接形成 $NADH$ ，另一個以 $H^{+}$ 的形式釋放到包漿中，因為 $H^{-}$ 有很強的還原性不能穩定地單獨存在，於是還原NAD+為NADH。

這一步的吉布斯自由能變也很小，基本上是可逆的，由等溫式 $Delta G=Delta G_{0}+RTlnQ$ 得：

$Delta G=Delta G_{0}+RTlnfrac{[Glycerate-3-phosphate][NADH][H^{+}]}{[Glycerate-1,3-bisphosphate][NAD^{+}][Pi]}$

為何磷酸化之外還要氧化呢？氧化的結果是把醛基氧化為羧基，然後利用羧基和磷酸結合。另一種可能的選擇是不進行氧化，直接利用2號碳原子上的羥基進行磷酸化，這樣的結果是形成和3號碳原子一樣的磷酸酯鍵。氧化成羧基在磷酸化的好處是形成的羧基-磷酸鍵擁有更高的解離能——其水解釋放的自由能更大，有助於下一步合成ATP。即這樣做有助於將所含的自由能釋放出來。而3號碳原子那樣的磷酸酯鍵水解時釋放的自由能小，不利於能量的釋放。

現在可以水解羧基-磷酸鍵釋放自由能了，所釋放的自由能由ADP承接合成ATP，這一步是底物水平磷酸化，底物提供磷酸基團和能量，來磷酸化ADP合成ATP：

$Glycerate-1,3,bisphosphate ightarrow Glycerate-3-phosphate+Pi$

$ADP+Pi ightarrow ATP$

總：

$Glycerate-1,3-bisphosphate+ADP ightarrow Glycerate-3-phosphate+ATPDelta G=-18.8kJ/mol$

結合上一步磷酸化和這一步生成ATP的反應，總方程式為： $Glyceraldehyde-3-phosphate+NAD^{+}+ADP+Pi ightarrow Glycerate-3-phosphate+NADH+ATP+H^{+}$

$Delta G=Delta G_{0}+RTlnfrac{[Glycerate-3-phosphate][NADH][ATP][H^{+}]}{[Glyceraldehyde-3-phosphate][NAD^{+}][ADP][Pi]}$

由此可得，除底物濃度外，細胞中NADH/NAD+的比例，ATP/ADP的比例也影響著該反應的進行。當細胞中能量過剩，即ATP/ADP取一個較大值的時候，該反應的吉布斯自由能變會變「正」，抑制了該反應的進行，進而抑制整個糖代謝；同樣，當細胞中NADH/NAD+的比例增大，即分解代謝過於旺盛的時候（分解代謝通常會生成NADH），該反應也會受到抑制。因此該步反應受到細胞中NADH和ATP的調控。代謝生成的NADH必須通過後續過程（氧化磷酸化等）將之重新氧化為NAD+，生成的ATP也必須放能水解變成ADP，一旦發生NADH或ATP的堆積，這些過剩的NADH和ATP就會反過來抑制生成它們的反應。

到這裡，底物變成了3-磷酸甘油酸，下面就需要將剩下的這個磷酸也放掉進行進一步的放能。如前所述，此時的磷酸酯鍵是比較穩(di)定(neng)的，如果將之變為烯醇式，就比較不穩定容易發生反應了。於是發生兩步反應：

先在變位酶(mutase)的催化下，3-磷酸甘油酸變為2-磷酸甘油酸，然後在烯醇化酶(enolase)的催化下脫水形成碳碳雙鍵，得到烯醇式結構。

此兩步反應的吉布斯自由能變都很小，基本上是可逆的。

烯醇式結構不穩定，會變成酮式，於是有下一步：

其中磷酸基團已在反應中由丙酮酸激酶(pyruvate kinase)脫去，用於合成ATP。

至此，底物上的磷酸基團全部脫去，底物「去活化」，反應結束。

下一期，我們將討論糖異生