第十章 糖酵解和磷酸戊糖途径

4、甘油醛－3－磷酸和磷酸二羟丙酮的生成

果糖－1，6－二磷酸在果糖二磷酸醛缩酶的催化下 裂解，生成两分子的磷酸丙糖：甘油醛－3－磷酸和 磷酸二羟丙酮（见图）： 该酶在催化反应时需要底物的C－2位羰基和C－4位 的羟基的存在。因此，Glc-6-P→Fru-6-P 的异构化 反应的意义是很清楚的，它能保证碳链的等长裂解， 产生两分子的三碳糖都能进入到一个共同的代谢途 径中去。
序号3和4、2和5，以及1和6。
磷酸化
异构化
ATP
ADP
葡萄糖
葡萄糖－6－磷酸
果糖－6－磷酸
磷酸化
ATP ADP
裂解异构化
果糖－1, 6－二磷酸
甘油醛－3－磷酸
（二）甘油醛－3－磷酸转变成丙酮酸

6、甘油醛－3－磷酸转变成1，3－二磷酸甘油酸 甘油醛－3－磷酸在甘油醛－3－磷酸脱氢酶的催化下， 以NAD+作为电子受体，并在无机磷酸的参与下，氧化脱 氢生成1，3－二磷酸甘油酸：


在生物化学上，磷酸基的转移反应是一种基本的反应。能够催 化磷酸基从ATP转移到某受体分子的酶叫做激酶。 激酶需要两价的金属离子（通常是Mg2+），以Mg2+－ATP的 形式参与酶促反应。未结合Mg2+的ATP是激酶的一潜在竞争性 抑制剂。 Mg2+可以掩盖ATP分子中磷酸基氧原子的负电荷， 使ATP的γ－位磷原子对葡萄糖C-6的羟基的亲核攻击易于接受 （见图）。 X－射线晶体衍射分析表明，底物葡萄糖能够诱导酵母己糖激 酶的构象发生较大的变化。当葡萄糖进入到己糖激酶裂口状的 活性部位时，构象的变化导致裂口状活性部位收缩，吞没底物 分子。这种构象运动有利于ATP靠近葡萄糖的C-6的羟基，同 时将水分子从活性部位排出。水分子的排出，减少了活性部位 的极性，从而加速了亲核反应的过程。



二羟丙酮酸转变为甘油醛－3－磷酸

为了更好地分析来自最初葡萄糖分子上的不同
位置的碳原子在后续反应（包括柠檬酸循环）
中的去向，为果糖－1，6－二磷酸裂解产生的
两分子的甘油醛－3－磷酸进行重新编号是很有
必要的。

图10－2右侧甘油醛－3－磷酸的碳原子的序号
1、2和3分别代表原始葡萄糖分子中的碳原子的


（一）葡萄糖的磷酸化
Hexokinase: 己糖激酶或葡 萄糖激酶
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 (G6P). 这是一个磷酸基 团转移的反应，即ATP的γ－磷酸基团在己糖激酶的催化下， 转移到葡萄糖分子上。这个反应必需有Mg2+的存在。

（四）2－磷酸甘油酸脱水生成磷酸稀醇式丙酮酸
稀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。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。
10、丙酮酸和ATP的生成

这是糖酵解的最后一步。在丙酮酸激酶的催化下，磷酸烯醇式 丙酮酸转变成丙酮酸，丙伴随着ADP磷酸化生成 ATP（见图） ：

葡萄糖－6－磷酸异构化形成果糖－6－磷酸
Phosphogluco se isomerase
磷酸葡萄糖异构 酶
葡萄糖的羰基从碳1位转移到碳2位，使葡萄糖分子由 醛式转变成酮式的果糖，其碳1位上即形成了自由羟基。 葡萄糖－6－磷酸和果糖－6－磷酸的存在形式都是以 环式为主，而异构化反应需以开链形式进行。
8、3－磷酸甘油酸转变成2－磷酸甘油酸

在磷酸甘油酸变位酶的催化下，3－磷酸甘油酸转 变成2－磷酸甘油酸：

变位酶是一类催化分子内化学基团移位反应的酶，
在酶学分类上属于异构酶类。由于后续反应是高度
放能的，因此，该反应能朝着2－磷酸甘油酸生成
的方向进行。

磷酸甘油酸变位酶可能的反应机制（图10－4）。




From Eduard Buchner’s discovery in 1897 of fermentation in broken extracts of yeast cells until the elucidation of the whole pathway in yeast (by Otto Warburg and Hans von Euler-Chelpin) and in muscle (by Gustav Embden and Otto Meyerhof) in the 1930s, the reactions of glycolysis in extracts of yeast and muscle were a major focus of biochemical research.
（一）甘油醛－3－磷酸氧化成1，3－二磷酸甘油酸
甘油醛－3－磷酸的氧化是在甘油醛－3－磷酸脱氢酶的催 化下，由NAD+和无机磷酸（Pi）参加实现的。

甘油醛－3－磷酸脱氢酶催化甘油醛－3－磷酸的氧化经历了一 个复杂的机制。
辅酶NAD+是该酶催化反应不可缺少的。


在酶的催化反应中，该酶活性部位半胱氨酸的－SH首先攻击底 物分子的羰基碳（图10－3）形成硫代半缩醛；随即发生氧化， 将一个氢负离子直接从被氧化的醛基转移到NAD+，结果导致 高能共价的酰基硫酯中间物的形成。因此，醛基的氧化产生的 能量并没有被浪费，而是以酰基硫酯的合成和NAD+的形式保 存下来。 接着另一分子的NAD＋取代NADH，无机磷酸攻击硫酯中间物， 形成超高能量的酰基磷酸，并从酶活性部位上释放出来（图10 －3）。
丙酮酸激酶在催化反应中需要一价的阳离子（K＋）和二价的 阳离子（Mg2+或Mn2＋），它们可以稳定磷酸烯醇式丙酮酸带 负电荷的基团，有利于酶促反应。当ADP的β－位的磷氧原子攻 击磷酸烯醇式丙酮酸的磷原子时，导致ATP的形成。留下的烯 醇式丙酮酸便自发转变成稳定的酮式丙酮酸（图10－5）。 由于磷酸烯醇式丙酮酸是一种超高能量的磷酸化合物，有很高 的磷酸基团转移势，当它的磷酸基被转移时，足以推动ATP的 合成。这是糖酵解反应顺序中的第二次底物水平磷酸化。 磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸的反应分为水解和自发两步 （图10－6）。
一、糖酵解的反应顺序
一、糖酵解的反应顺序

糖酵解从葡萄糖开始，经一系列反应到丙酮酸的生成， 总共包括10个酶促反应步骤。这10步反应可划分成两个 反应阶段。催化糖酵解反应的酶存在于细胞溶质中，这 些酶构成一种可溶性的多酶系统。 （一）葡萄糖转变成磷酸丙糖 1、葡萄糖的磷酸化 经特殊的转运载体转运进入到细胞中的葡萄糖只有被磷 酸化才能经受进一步的代谢反应。己糖激酶能够催化葡 萄糖与 ATP 反应，接受来自 ATP 分子上的末端的磷酸 基，生成葡萄糖－6－磷酸。（见图）。
9、磷酸烯醇式丙酮酸的生成



在烯醇化酶的催化下，2－磷酸甘油酸脱去一分子 的水，生成磷酸烯醇式丙酮酸： 磷酸烯醇式丙酮酸含有一个超高能量的磷酸基，具 有很高的转移磷酸基的势能。该反应需要二价金属 离子。 当烯醇式丙酮酸水解时，可以释放出很高的自由能。 烯醇化酶在与底物结合之前先与Mg2+结合成复合 物。该酶在氟离子和磷酸盐同时存在下失去活性， 因为氟离子与磷酸基形成的氟磷酸离子结合Mg2+。 所以氟化物是烯醇化酶的有效抑制剂。

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。
中间产物磷酸至少有三个意义：
1. 带有负电荷的磷酸基团使中间产物具有极性，
从而使这些产物不易透过脂膜而散失；
2. 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； 3. 磷酸基团经酵解作用后，最终形成ATP末端磷 酸基团，因此具有保存能量的作用。
第十章 糖酵解和磷酸戊糖途径

D-葡萄糖是大多数生物的主要能源分子，1 mol 葡萄糖完 全氧化成二氧化碳和水，大约释放 2 840 kJ 的自由能。 葡萄糖不仅是很好的能源物质，而且也是一种多用途的 前体。葡萄糖代谢产生的许多中间物可以作为生物合成 的起始物。 异养生物所需要的葡萄糖主要是由淀粉产生。 在细胞内，虽然葡萄糖的代谢去向是多种多样的，但是 在高等动植物内，葡萄糖主要有三种不同的去向：①可 以多糖（淀粉或糖原）或蔗糖的形式贮存；②可以经糖 酵解途径转变成丙酮酸；③经氧化性脱羧转变成磷酸戊 糖。
2、葡萄糖－6－磷酸转变成果糖－6－磷酸
糖酵解的第二步反应由磷酸葡萄糖异构酶催化。在该 酶的催化下，葡萄糖－6－磷酸转变成果糖－6－磷酸 （见图）。
这步反应可逆，是醛糖和酮糖互变异ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的一个例子。 这转换十分必要，因为在葡萄糖－6－磷酸分子中， C－1位的羰基或半缩醛羟基不像醇羟基那样易于磷 酸化，因此，葡萄糖－6－磷酸经异构化转变成果糖 －6－磷酸就为第二次磷酸化作好了准备（图10－ 1）。


果糖－6－磷酸形成果糖－1，6－二磷酸
Phosphofructo kinase 磷酸果糖激酶
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。在这一反应中，ATP酸酐键的水解 和果糖－1，6－二磷酸在其碳位上形成磷酸酯的两个反应⊿G0´=14.23 kJ/mol (-3.4 kcal/mol), 因此该反应是不可逆反应。
3、果糖－1，6－二磷酸的生成

糖酵解第三步反应，即果糖－6－磷酸转变成果糖－1， 6－二磷酸的反应是由磷酸果糖激酶催化的： 磷酸果糖激酶催化的反应与己糖激酶类似，该酶催化 Fru－6－P的C－1位羟基亲核攻击Mg2+－ATP的γ－位 磷原子。 磷酸果糖激酶处在糖酵解反应顺序的关键调节部位，催 化该途径的限速步骤。磷酸果糖激酶的活性受到多种效 应物的控制。AMP是该酶有效的激活剂，而ATP和柠檬 酸则是它的有效抑制剂。


第一节 糖酵解

糖酵解是指葡萄糖经一系列酶促反应步骤转变成丙酮酸的过程。 在该过程中，所释放的一部分自由能以 ATP 的形式被保存下来。 糖酵解是第一个被阐明的代谢途径。 从1897年E. Buchner 兄弟俩人发现破碎的酵母细胞提取液能使葡 萄糖转变成酒精和二氧化碳，直到 1941年 F. Lipman 和 H.Kalckar 证实 ATP 在代谢过程中的作用，糖酵解的反应顺序 才逐渐被揭示。 1905年， A. Harden 和 W. J. Young 发现，无机磷酸是发酵过程 不可缺少的因子。 德国的生物化学家 G. Embden 和 O.Meyerhof 发现肌肉组织提取 液也能完成与酵母提取液十分相似的代谢过程。并正式提出了糖 酵解概念。因此，糖酵解曾经又称为 Embden-Meyerhof 途径。 糖酵解是了解的最为清楚的一条代谢途径。

果糖－1，6－二磷酸转变为甘油醛－3－磷 酸和二羟丙酮酸
Aldolase: 醛缩酶
这是一个由6碳糖－－果糖－1，6－二磷酸裂解为两个三碳糖 的反应过程。果糖－1，6－二磷酸在醛缩酶的作用下发生裂解 反应生成一分子二羟丙酮磷酸和一分子甘油醛－3－磷酸。
5、磷酸丙糖的相互转换

在糖酵解反应顺序中，只有甘油醛－3－磷酸能直接进 入后续反应。 醛缩酶催化产生的另一个产物磷酸二羟丙酮却能在磷 酸丙酮异构酶的催化下转变成甘油醛－3－磷酸: 由于甘油醛－3－磷酸在后续反应中被移走，所以磷酸 二羟丙酮能快速转变成甘油醛－3－磷酸。 由于磷酸丙酮异构酶的存在，于是就保证了果糖－1， 6－二磷酸裂解产生的两分子的三碳糖都能进入到一个 共同的代谢途径中去。

7、3－磷酸甘油酸和ATP的生成





上步反应生成的1，3－二磷酸甘油酸在磷酸甘油激酶的催化下，将它上面的 超高能量的磷酸基从羧基转移到ADP，生成 ATP和3－磷酸甘油酸： 磷酸甘油酸激酶和甘油醛－3－磷酸脱氢酶所催化的反应构成一个能量耦联过 程。在这个反应中，1，3－二磷酸甘油酸是一个共同的中间物： 甘油醛－3－磷酸＋NAD+＋ADP↔3－磷酸甘油酸＋ATP＋NADH＋H+ 总反应是放能的。表明，能量上不利的反应与能量上高度有利的反应相偶联， 便能推动总反应正向进行。 上述两步反应总的结果是醛基氧化成羧酸，所释放出来的能量通过ATP的偶 联形成而被保存下来。 底物水平磷酸化：是指在底物氧化的基础上释放出的能量推动ADP磷酸化合 成ATP的反应。底物水平磷酸化与氧化磷酸化合成ATP是不同的。底物水平 磷酸化是指直接与代谢途径中的某个特殊反应偶联，而氧化磷酸化是电子沿 电子传递所产生的质子推动力造成的。

在氧化反应中，醛基转变成了超高能量的酰基磷酸。1， 3－二磷酸甘油酸的羰基碳所连结的酰基磷酸是磷酸与羧 酸的混合酸酐。这种酸酐形成所需要的能量来自醛基的 氧化。
甘油醛－3－磷酸脱氢酶是由4个相同的亚基组成，酶活 性部位的－SH是该酶活性必需的基团。烷化剂是该酶的 有效抑制剂。

酵解第二阶段－放能阶段的反应机制