酵解反应

现在让我们按顺序考虑上图中的反应。在给出反应式时，写出全称。在讲述时，为了简化，只说短名。如，我们说 6- 磷酸葡萄糖是指 α-D-6- 磷酸葡萄糖。

反应 1 ： 第一个 ATP 的投入葡萄糖被 ATP 磷酸化形成 6- 磷酸葡萄糖（ G-6-P ）。

△G°′=-16kJ/mol

这是一个耗能反应。催化这个反应的酶有己糖激酶和葡萄糖激酶。a) 己糖激酶以六碳糖为底物，其专一性不强，不仅可以作用于葡萄糖，还可以作用于 D- 果糖和 D- 甘露糖。己糖激酶像其他激酶一样，需要 Mg++ 或其他二价金属离子，如 Mn2+ 所活化。实际上 Mg++ 与 ATP 形成的复合物才是酶的真正底物。

X- 晶体衍射研究表明，在己糖激酶催化反应时有构象变化，其变化大致是，酶与葡萄糖结合时，结合裂缝两侧的酶叶关紧，糖被酶蛋白环绕造成非极性环境，从而促使 ATP 的磷酰基转移，防止水作为底物攻击 ATP 。这种底物诱导的裂缝关闭现象是激酶的共同特性。 己糖激酶是一个别构酶，被其产物 G-6-P 强烈抑制。它催化的反应是酵解中第一个调节步骤。

b) 葡萄糖激酶葡萄糖激酶存在于肝细胞中。它对 D- 葡萄糖有特异活性，不被 G-6-P 所抑制。肌肉己糖激酶对 D- 葡萄糖的 Km 值为 0.1mmol/L ，肝葡萄糖激酶的 Km 约为 10mmol/L 。细胞内葡萄糖浓度通常为 5mmol/L ，此时己糖激酶的酶促反应已达最大速度，而葡萄糖激酶仍不活跃。只有当进食后，肝细胞内葡萄糖浓度高时葡萄糖激酶才起作用，将葡萄糖转化为 G-6-P ，再以糖原形式贮存于细胞中。葡萄糖激酶是一个诱导酶，由胰岛素促使其合成。

100

75

相对

反应

速度

，V

max

%

反应 2. 6- 磷酸葡萄糖的异构化

醛糖 6- 磷酸葡萄糖转化成酮糖 6- 磷酸果糖（ F-6-P ）。

+1.68kJ/mol

这个同分异构化反应由葡萄糖异构酶催化。 反应需要 Mg++ ，形成一个烯醇中间物。羰基氧从碳 1 转移到碳 2 ，其作用是在碳 1 产生的羟基更容易在下一个反应中磷酸化。 由于此反应标准自由能变化很小，反应是可逆的。反应方向由底物和产物的量来控制。

反应 3 ．第二个 ATP 的投入F-6-P 磷酸化成 1 ， 6- 二磷酸果糖（ F-1,6-2P ）这个反应由磷酸果糖激酶催化，将 ATP 上的磷酰基转移到 F-6-P 的 C1位置上形成 F-1,6-2P 。

这一步反应是酵解中的关键反应步骤，反应是放能的，在体内是不可逆的。磷酸果糖激酶是酵解限速酶。磷酸果糖激酶是分子量为 360000 的四聚体。它是一个别构酶， ATP ，柠檬酸，脂肪酸对此酶有抑制效应。 AMP ， ADP 或无机磷可消除抑制，增加酶的活性。

反应 4 ．两个磷酸三碳糖的形成F-1,6-2P 裂解成 3- 磷酸甘油醛 (G3P) 和磷酸二羟丙酮（ DHAP ）。F-1,6-2P 在 1,6- 二磷酸果糖醛缩酶的催化下在 C3 和 C4之间的键断

裂，产生两个三碳糖，一个酮糖，磷酸二羟丙酮，一个醛糖， 3- 磷酸甘油醛。

1,6- 二磷酸果糖醛缩酶催化的反应△ G0’为 +24kJ/mol ，反应易于向左进行，这是醛缩酶名称的由来。凡是连接两个羰基化合物，例如一个醛和一个酮化合物形成一个醛醇化合物就是醛缩反应。

在正常生理条件下，由于 3- 磷酸甘油醛不断转化成丙酮酸，大大降低了细胞中 3- 磷酸甘油醛浓度，从而驱动反应向裂解方向进行。

醛缩酶活性部位的赖氨酸和底物之间形成的希夫碱 (Schiff base) 中间物

Dihydroxyacetonephosphate磷酸二羟丙酮

Schiff base

希夫碱

H H

H

1 ， 6- 二磷酸果糖

3- 磷酸甘油醛

醛缩酶

醛缩酶的反应机理是酶的活性中心上特殊的赖氨酸上的 ε 氨基与磷酸二羟丙酮上的羰基形成一个四面体中间物，然后去水变成质子化的 Schiff 碱又称酮亚胺，它促使磷酸二羟丙酮形成烯醇化的负碳离子，与 3- 磷酸甘油醛形成质子化的 Schiff 碱， F-1,6-2P 酮亚胺，然后再去质子化和水解除去 Schiff碱产生 F-1,6-2P 和酶。 1,6- 二磷酸果糖的裂解就是这个反应的逆转。

反应 5．磷酸三碳糖的同分异构化

磷酸三碳糖中只有 3- 磷酸甘油醛能继续进入酵解途径。磷酸二羟丙酮可在磷酸丙糖异构酶的催化下迅速转化成 3- 磷酸甘油醛。

己糖转化成三碳糖后，碳原子顺序数颠倒，己糖原来的碳原子数C3和 C4 是 3- 磷酸甘油醛的 C1; C5 和 C2 变成 C2；C1 和 C6 变成 C3 。

上述酵解的前 5 步反应是耗能阶段，共消耗 2 分子 ATP 。后面的 5 步反应则为产能阶段。

3

反应 6．第一个高能化合物的合成3- 磷酸甘油醛氧化成 3- 磷酸甘油酸磷酸，或称 1 ， 3- 二磷酸甘油酸。3- 磷酸甘油醛在有 NAD+ 和 H3PO4 时，被磷酸甘油醛脱氢酶催

化形成 1 ， 3- 二磷酸甘油酸。

这个反应既是氧化反应又是磷酸化反应。如果要将磷酸甘

油醛 C1 醛基上的氢质子和电子移去，有很大的能量障碍，因

为羰基的碳原子已经带正电性，为此必需加入另一亲核试剂，以减少羰基碳上的正电性，并使产生的羟基上的氢能够移去，则磷酸加入后容易形成酰基磷酸，后者是羧基与磷酸的混合酸酐，具有转移磷酰基的能量。 磷酸甘油醛脱氢酶活性位置上半胱氨酸残基的 -SH基是亲核基团，它与醛基作用形成中间化合物，可将羟基上的氢移至与

酶紧密结合的 NAD+ 上，从而产生 NADH和高能硫酯中间物。然后 NADH从酶上解离下来，另一个 NAD+ 与酶活性位置结合，磷酸攻击硫酯键就形成 1 ， 3- 二磷酸甘油酸。

·

3- 磷酸甘油醛脱氢酶的反应机制　

１．在３－磷酸甘油醛和酶之间形成起始硫代半缩醛中间物．

２．通过与酶结合的 NAD+ 使中间物氧化形成酰基酶中间物．

３．与酶结合的 NADH 再氧化 .

４．酰基酶中间物中的硫酯键的磷酸解切割．

H

H

H

H

硫代半缩醛

3- 二磷酸甘油醛

1, 3- 二磷酸甘油酸

3- 磷酸甘油醛脱氢酶

酯酰磷酸化是热力学上不利的反应，其△ G0’= +49.56kJ/mol，但是氧化反应的△ G0’= -43.2kJ/mol ，这两个反应由硫酯中间物而偶联在一起，氧化反应的能量驱动磷酸化反应进行。碘乙酸和重金属可强烈抑制磷酸甘油醛脱氢酶的活性。因为碘乙酸可与 -SH基反应，说明这个酶很可能有一个或多个必须巯基。

E-SH + ICH3COO- ES-CH2COO- + HI

砷酸盐（ AsO43- ）可以与 H3PO4竞争与高能硫酯中间物结合，

形成不稳定的化合物 1-砷 -3- 磷酸甘油酸，它可以进一步分解产生 3- 磷酸甘油酸，但没有磷酸化作用。因此砷酸使氧化作用和磷酸化作用解偶联。

反应 7 ．第一个底物水平的磷酸化1 ， 3- 二磷酸甘油酸将磷酰基转给 ADP 形成 3- 磷酸甘油酸和 ATP。催化这个反应的酶是磷酸甘油酸激酶，反应需要 Mg++ 的参与。

3- 磷酸甘油醛氧化磷酸化产生的高能中间物最后转化成 3- 磷酸甘油酸并产生 ATP ，这是酵解过程中第一次产生 ATP 的反应，也是底物水平的磷酸化反应。因为一分子葡萄糖产生 2 分子三碳糖，因此共产生 2 分子 ATP ，这样就抵消了葡萄糖在磷酸化过程中消耗的 2 分子 ATP 。

反应 8 ．为下一个高能化合物的合成作准备 3- 磷酸甘油酸转变为 2- 磷酸甘油酸。磷酸甘油酸变位酶催化磷酰基从 3- 磷酸甘油酸的 C3 移至C2 。凡是催化分子

内化学功能基团的位置移动的酶都称为变位酶。反应中间物是 2 ， 3- 二磷酸甘油酸。

哺乳动物中至少有两种磷酸甘油酸变位酶，一种存在于成人肌肉中，对 Hg 高度敏感。另一种存在于胎儿肌肉中，对 Hg 不敏感。成人的心和骨骼中的磷酸甘油酸变位酶是二者的混合物。

反应 9 ．第二个高能化合物的合成2- 磷酸甘油酸脱水形成一个超高能化合物，磷酸烯醇式丙酮酸。反应在有 Mg++ 或 Mn++ 存在下，经烯醇化酶催化。

烯醇化酶催化的脱水反应是一个可逆反应，反应的自由能变化很小，但是分子内能重新分布的变化很大。2- 磷酸甘油酸中的磷酸键是一个低能键，其水解的标准自由能变化是 -17.6kJ/mol 。磷酸烯醇式丙酮酸中的磷酰烯醇键是高能键，其水解的标准自由能的变化为 -62.1kJ/mol ，因此这一步反应显著地提高了磷酰基的转移势能。磷酸烯醇丙酮酸在热力学上很不稳定。烯醇化酶分子量是 88000 ，是由两个亚基组成的二聚体，可与Mg++ 或 Mn++ 紧密结合。由于 F- 能与 Mg++ 形成络合物并结合在酶上，因此可抑制酶的活性。

反应 10．第二个底物水平的磷酸化磷酸烯醇式丙酮酸将磷酰基转移给 ADP 形成 ATP 和丙酮酸。

由丙酮酸激酶催化的最后一个反应中，磷酸烯醇丙酮酸把它的磷酰基转移到 ADP 。这是又一个底物水平的磷酸化。这个酶需要K+ 和二价离子 Mg2+ 或 Mn2+ 。

++

+

丙酮酸激酶反应是一个代谢调节位点。丙酮酸激酶的缺失造成磷酸烯醇丙酮酸的累积，导致其他代谢中间物的累积，包括 2 ， 3- 二磷酸甘油酸。 2 ， 3- 二磷酸甘油酸调节血红蛋白的氧亲合力。丙酮酸激酶的缺失造成氧运输出问题。丙酮酸激酶的缺失是一种遗传病。在脊椎动物肝中，丙酮酸激酶是分子量约为 250 ， 000 的四聚体。受变构调节。酶活力受高浓度 ATP 抑制，受 1 ， 6- 二磷酸果糖激活。在肝中这个酶的合成受饮食中糖的控制。肝中丙酮酸激酶活力也受酶蛋白的磷酸化和脱磷酸化调节。脱磷酸化的丙酮酸激酶活力较高。

酵解反应总结

+

Mg2+

Mg2+

K+

?

酵解总结

反应 酶 ATP △ G0’ △ G产量 KJ/mol

葡萄糖(G)1. ATP

ADP+H+ 己糖激酶（HK） - 1 -16.7 -33.56-磷酸葡萄糖(G6P)

2.磷酸葡萄糖异构酶(PGI ) +1. 7 -2. 5

6-磷酸果糖(F6P)3. ATP ADP+H+ 磷酸果糖激酶(PFK) -1 -14. 2 -22. 2 1, 6-二磷酸果糖(FBP)4.

醛缩酶(ALD) +23. 8 -1. 33-磷酸甘油醛(G3P)

+磷酸二羟丙酮(DHAP)5.

磷酸丙糖异构酶(TPI ) +7. 5 +2. 52 3-磷酸甘油醛

6. NAD+ +Pi NADH+H+ 3-磷酸甘油醛脱氢酶((G3PDH) +6. 3 -1. 7

2 1, 3-二磷酸甘油酸(BPG) 7． ADP+ H+

ATP 磷酸甘油酸激酶（PGK） +2 -18. 8 +1. 3

2 3-磷酸甘油酸(3PG)8．

磷酸甘油酸变位酶(PGM) +4. 4 +0. 8

2 2-磷酸甘油酸(2PG)9.

H2O 烯醇酶(ENO) +1. 7 -3. 3

2 磷酸烯醇丙酮酸（PEP）10. ADP+ H+

ATP 丙酮酸激酶(PK) +2 -31. 4 -16. 7

2 丙酮酸 (PYR)

__________________________________总计 +2 -35. 5 -76. 6

酵解反应总结

2

☆ 一分子葡萄糖降解成 2 分子丙酮酸，消耗 2 分子 ATP ，产生 4分子 ATP ，净产量是 2 分子 ATP 。

葡萄糖酵解的总反应式：葡萄糖　 + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ → 2丙酮酸 + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O

— 在无氧条件下，酵解共产生 2 分子 ATP ， 2 分子 NADH。 NADH将 H交给 2 分子丙酮酸，生成 2 分子乳酸。 葡萄糖 + 2ADP + 2Pi → 2乳酸 + 2ATP + 2H2O

— 在有氧情况下， 2 分子 NADH经呼吸链氧化成 H2O可产生 6 分子 ATP ，

2NADH + 2H+ + O2 + 6ADP + 6Pi → 2NAD+ + 6ATP + 8H2O

合并上式和总反应式： 葡萄糖 + 8ADP + 8Pi + O2 → 2丙酮酸 + 8ATP + 10H2O

在有氧情况下，一分子葡萄糖酵解可产生 8分子 ATP 。

在某些组织，如骨骼肌和脑组织， NADH进入线粒体要通过甘油磷酸穿梭系统。

细胞质中磷酸二羟丙酮在 3- 磷酸甘油脱氢酶催化下被 NADH还原成 3- 磷酸甘油，后者进入线粒体，被 3- 磷酸甘油脱氢酶重新氧化成磷酸二羟丙酮，再转运回细胞质。

线粒体中的 3- 磷酸甘油脱氢酶的辅酶是 FAD ， 3- 磷酸甘油氧化使 FAD 还原成 FADH2 。 FADH2经呼吸链氧化只产生 2 分子

ATP 。在这些组织中，一分子葡萄糖酵解共产生 6 分子 ATP 。

苹果酸 -天冬氨酸穿梭

在苹果酸 -天冬氨酸穿梭系统中，细胞浆中的 NADH先在苹果酸脱氢酶的催化下将草酰乙酸还原成苹果酸，苹果酸可通过一种二羧酸转运系统的转运进入线粒体基质内，在基质内由苹果酸脱氢酶催化使苹果酸脱氢生成草酰乙酸和 NADH。NADH在呼吸链中可产生 3分子 ATP 。

这种穿梭方式存在于肝、肾、心等组织。

丙酮酸的去路所有生物的酵解从葡萄糖降解成丙酮酸的途径是十分相似的，而丙酮酸以后的途径则有所不同。1．变为乙酰 CoA ：在有氧条件下丙酮酸进入线粒体变成乙酰 CoA参加三羧酸循环，最后氧化成 CO2 和 H2O。

2．生成乳酸：在无氧酵解时，某些厌氧乳酸菌中或肌肉由于剧

烈运动而造成暂时缺氧状态，或由于呼吸，循环系统机能障碍暂时供氧不足时，丙酮酸接受 3- 磷酸甘油醛脱氢酶形成的 NADH上的氢，在乳酸脱氢酶催化下形成乳酸。

2NAD+

无氧酵解的能量和电子图

2NADH + 2H+

1) 图中每个反应的△ G’ 是从△ G0’ 和人红细胞中各种酵解中间物的浓度计算的；2)括号中是 uM 浓度；3)星号表示不可逆反应．

无氧酵解能量图的要点： a) 酵解产生的 4个 ATP 中的 2 个用来偿还 ATP 的消耗；b) 在无氧酵解中， 3- 磷酸甘油醛脱氢酶产生的还原当量必须用来还原某个有机化合物；c) 变构调节的酶催化高度放能，不可逆的反应。最近用 31P NMR进行的代谢研究，包括运动时活肌肉细胞中的磷酸代谢物的含量分析，表明即使在完全氧合的肌肉组织中， 50%的葡萄糖代谢转换成乳酸。乳酸释放进入循环，并由其他组织摄取，被认为可在不同组织中，可部分地对主要能量储存及产生途径进行协调。 乳酸如何协调不同组织中能量储存及产生的机制是一个活跃的研究领域。无氧酵解或乳酸发酵的总反应式：

葡萄糖 + 2ADP + 2Pi → 乳酸 + ATP + 2H2O

乳酸脱氢酶的同工异构酶 , 乳酸脱氢酶有多种分子形式。催化相同反应的酶的不同分子形式称为同工酶。

乳酸脱氢酶是由两种不同亚基组成的四聚体

乳酸脱氢酶不同分子形式在生理上的需要不是很清楚。但乳酸脱氢酶同工酶有组织专一性，这一点在临床医学上有使用价值。

3 ．生成乙醇在酵母菌或其他微生物中，丙酮酸可经丙酮酸脱羧酶的催化，以焦磷酸硫胺素为辅酶，脱羧变成乙醛，然后在醇脱氢酶的催化下，由 NADH还原形成乙醇， NADH被乙醛氧化成 NAD+ 。

葡萄糖进行乙醇发酵的总反应式为： 葡萄糖 + 2Pi + 2ADP + 2H+ → 2乙醇 + 2CO2 + 2ATP + 2H2O