关于葡萄糖分解代谢各途径的化学计算综述

关于葡萄糖分解代谢各途径的化学计算综述储观河唐启元芦童张钋沈阳农业大学食品学院食品质量与安全专业（辽宁沈阳）摘要：生物体内葡萄糖分解代谢为生物体提供了最基本的能量来源，对维持正常的生命活动有着举足轻重的作用。

葡萄糖在细胞内的氧化分解是一个复杂的生化反应过程，需要一系列生物酶和辅酶的催化，了解在各反应途径的ATP、CO2、H2O、NADH+H+、FADH2、GTP的化学计算有助于深刻理解葡萄糖的分解途径。

关键词：分解代谢、生化反应、化学计算、生物酶、辅酶前言：生物体内的代谢途径主要分为两类：一类是由生物大分子（多糖、蛋白质、脂类、核酸）不断降解为小分子（如CO2、NH3、H2O 等）的过程，称之为分解代谢。

另一类是合成代谢。

分解代谢主要分三个阶段进行：第一阶段是由复杂的生物大分子降解为物质基本组成单位的过程，如脂肪和蛋白质降解成脂肪酸和氨基酸；第二阶段是由这些基本分子转变成中间代谢产物，如葡萄糖和脂肪酸分别降解为丙酮酸和乙酰CoA,同时产生少量ATP；第三阶段是丙酮酸和乙酰CoA彻底氧化生成CO2和H2O的过程，同时生成NADH+H+和FADH2，两者通过呼吸链的氧化磷酸化过程，生成大量ATP。

葡萄糖分解代谢的主要途径有：EMP途径、HMP途径、ED途径、PK途径等4种。

一、EMP途径1、EMP途径，又称糖酵解或己糖二磷酸途径，是细胞将葡萄糖转化为丙酮酸的代谢过程，总反应为：C6H12O6+2NAD+2Pi+2ADP→2CH3COCOOH（丙酮酸）+2NADH+2H+2ATP+2H2O。

EMP途径是指在无氧条件下，葡萄糖被分解成丙酮酸，同时释放出少量ATP的过程。

EMP途径的第一阶段中，葡萄糖在消耗ATP的情况下被磷酸化，形成葡萄糖-6-磷酸。

葡萄糖-6-磷酸进一步转化为果糖-6-磷酸，然后再次被磷酸化，形成果糖-1，6-二磷酸。

在醛缩酶催化下，果糖-1，6-二磷酸裂解成两个三碳化合物：3-磷酸甘油醛与磷酸二羟丙酮。

此阶段的反应并不涉及电子转移。

(1)葡萄糖的磷酸化(phosphorylation of glucose)进入细胞内的葡萄糖首先在第6位碳上被磷酸化生成6-磷酸葡萄糖(glucose6phophate,G－6－P)，磷酸根由ATP供给，这一过程不仅活化了葡萄糖，有利于它进一步参与合成与分解代谢，同时还能使进入细胞的葡萄糖不再逸出细胞。

催化此反应的酶是己糖激酶(hexokinase,HK)。

己糖激酶催化的反应不可逆，反应需要消耗能量ATP，Mg2+是反应的激活剂，它能催化葡萄糖、甘露糖、氨基葡萄糖、果糖进行不可逆的磷酸化反应，生成相应的6-磷酸酯，6－磷酸葡萄糖是HK的反馈抑制物，此酶是糖氧化反应过程的限速酶(rate limiting enzyme)或称关键酶(key enzyme)它有同工酶Ⅰ-Ⅳ型，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型主要存在于肝外组织，其对葡萄糖Km值为10-5～10-6M。

(2)6-磷酸葡萄糖的异构反应(isomerization of glucose-6-phosphate)这是由磷酸己糖异构酶(phosphohexose isomerase)催化6-磷酸葡萄糖(醛糖aldose sugar)转变为6-磷酸果糖(fructose-6-phosphate,F-6-P)的过程，此反应是可逆的。

(3)6-磷酸果糖的磷酸化(phosphorylation of fructose－6－phosphate)此反应是6磷酸果糖第一位上的C进一步磷酸化生成1,6－二磷酸果糖，磷酸根由ATP供给，催化此反应的酶是磷酸果糖激酶(4)1.6二磷酸果糖裂解反应(cleavage of fructose1,6 di/bis phosphate)醛缩酶(aldolase)催化1.6-二磷酸果糖生成磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛，此反应是可逆的。

(5)磷酸二羟丙酮的异构反应(isomerization of dihydroxyacetonephosphate)磷酸丙糖异构酶(triose phosphate isomerase)催化磷酸二羟丙酮转变为3－磷酸甘油醛，此反应也是可逆的。

到此1分子葡萄糖生成2分子3-磷酸甘油醛，通过两次磷酸化作用消耗2分子ATP。

在第二阶段中，3-磷酸甘油醛首先转化为1，3-二磷酸甘油酸，此过程是氧化反应，辅酶NAD+接受氢原子，形成NADH。

同时3-磷酸甘油醛接受无机磷酸被磷酸化。

与上述的葡萄糖-6-磷酸的有机磷酸键不同，二磷酸甘油醛中的两个磷酸键属于高能磷酸键。

在其后来的1，3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸及磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸的反应过程中，高能磷酸键的能量转移导致ATP的合成。

(6)3-磷酸甘油醛氧化反应(oxidation of glyceraldehyde-3-phosphate此反应由3-磷酸甘油醛脱氢酶(glyceraldehyde 3－phosphatedehydrogenase)催化3-磷酸甘油醛氧化脱氢并磷酸化生成含有1个高能磷酸键的1，3－二磷酸甘油酸，本反应脱下的氢和电子转给脱氢酶的辅酶NAD+生成NADH+H+，磷酸根来自无机磷酸。

(7)1.3－二磷酸甘油酸的高能磷酸键转移反应在磷酸甘油酸激酶(phosphaglycerate kinase,PGK)催化下，1.3－二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸，同时其C1上的高能磷酸根转移给ADP 生成ATP，这种底物氧化过程中产生的能量直接将ADP磷酸化生成ATP的过程，称为底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)。

此激酶催化的反应是可逆的(8)3-磷酸甘油酸的变位反应在磷酸甘油酸变位酶(phosphoglycerate mutase)催化下3-磷酸甘油酸C3－位上的磷酸基转变到C2位上生成2－磷酸甘油酸。

此反应是可逆的。

(9)2-磷酸甘油酸的脱水反应由烯醇化酶(enolase)催化，2-磷酸甘油酸脱水的同时，能量重新分配，生成含高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate PEP)。

本反应也是可逆的。

(10)磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸转移在丙酮酸激酶(pyruvate kinase,PK)催化下，磷酸烯醇式丙酮酸上的高能磷酸根转移至ADP生成ATP，这是又一次底物水平上的磷酸化过程。

但此反应是不可逆的。

丙酮酸激酶是糖的有氧氧化过程中的限速酶，具有变构酶性质，ATP是变构抑制剂，ADP是变构激活剂，Mg2+或K+可激活丙酮酸激酶的活性，胰岛素可诱导PK的生成，烯醇式丙酮酸又可自动转变成丙酮酸。

2、丙酮酸的无氧和有氧代谢：○1丙酮酸无氧代谢A、丙酮酸→乳酸（乳酸发酵）在无氧条件下，糖酵解产生的丙酮酸能够被NADH还原成乳酸：乳酸脱氢酶丙酮酸+ NADH ======== L-乳酸+ NAD+B丙酮酸→乙醇（酒精发酵）酵母中含有多种酶系，可以催化不同的反应过程。

生醇发酵的化学反应中，从葡萄糖到丙酮酸这一段反应与葡萄糖的酵解完全相同。

生成的丙酮酸在酵母催化下，脱羧产生乙醛，乙醛在醇脱氢酶催化下被NADH还原成乙醇。

乙醇在人体及动物体中可以氧化成乙醛，再转变成乙酰CoA进入三羧酸循环氧化。

○2丙酮酸有氧代谢丙酮酸在有氧条件下，进入线粒体内膜，在丙酮酸脱氢酶系的作用下，氧化脱羧生成乙酰CoA。

3、TCA循环乙酰CoA进入由一连串反应构成的循环体系，被氧化生成H2O和CO2。

由于这个循环反应开始于乙酰CoA与草酰乙酸(oxaloacetate)缩合生成的含有三个羧基的柠檬酸，因此称之为三羧酸循环或柠檬酸循环(citric acid cycle)。

其详细过程如下：(1)乙酰CoA进入三羧酸循环乙酰CoA具有硫酯键，乙酰基有足够能量与草酰乙酸的羧基进行醛醇型缩合。

首先从CH3CO基上除去一个H+，生成的阴离子对草酰乙酸的羰基碳进行亲核攻击，生成柠檬酰CoA中间体，然后高能硫酯键水解放出游离的柠檬酸，使反应不可逆地向右进行。

该反应由柠檬酸合成酶(citrate synthetase)催化，是很强的放能反应。

由草酰乙酸和乙酰CoA合成柠檬酸是三羧酸循环的重要调节点，柠檬酸合成酶是一个变构酶，ATP是柠檬酸合成酶的变构抑制剂，此外，α-酮戊二酸、NADH能变构抑制其活性，长链脂酰CoA也可抑制它的活性，AMP可对抗ATP的抑制而起激活作用。

(2)异柠檬酸形成柠檬酸的叔醇基不易氧化，转变成异柠檬酸而使叔醇变成仲醇，就易于氧化，此反应由顺乌头酸酶催化，为一可逆反应。

（3)第一次氧化脱酸在异柠檬酸脱氢酶作用下，异柠檬酸的仲醇氧化成羰基，生成草酰琥珀酸(oxalosuccinate)的中间产物，后者在同一酶表面，快速脱羧生成α-酮戊二酸(αketoglutarate)、NADH和CO2，此反应为β-氧化脱羧，此酶需要Mn2+作为激活剂。

此反应是不可逆的，是三羧酸循环中的限速步骤，ADP是异柠檬酸脱氢酶的激活剂，而ATP，NADH是此酶的抑制剂。

(4)第二次氧化脱羧在α-酮戊二酸脱氢酶系作用下，α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA、NADH+H+和CO2，反应过程完全类似于丙酮酸脱氢酶系催化的氧化脱羧，属于α氧化脱羧，氧化产生的能量中一部分储存于琥珀酰CoA的高能硫酯键中。

α-酮戊二酸脱氢酶系也由三个酶(α-酮戊二酸脱羧酶、硫辛酸琥珀酰基转移酶、二氢硫辛酸脱氢酶)和五个辅酶(TPP、硫辛酸、HSCoA、NAD+、FAD)组成。

此反应也是不可逆的。

α-酮戊二酸脱氢酶复合体受ATP、GTP、NAPH 和琥珀酰CoA抑制，但其不受磷酸化/去磷酸化的调控。

(5)底物磷酸化生成ATP在琥珀酸硫激酶(succinate thiokinase)的作用下，琥珀酰CoA 的硫酯键水解，释放的自由能用于合成GTP，在细菌和高等生物可直接生成ATP，在哺乳动物中，先生成GTP，再生成ATP，此时，琥珀酰CoA生成琥珀酸和辅酶A。

(6)琥珀酸脱氢琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase)催化琥珀酸氧化成为延胡索酸。

该酶结合在线粒体内膜上，而其他三羧酸循环的酶则都是存在线粒体基质中的，这酶含有铁硫中心和共价结合的FAD，来自琥珀酸的电子通过FAD和铁硫中心，然后进入电子传递链到O2，丙二酸是琥珀酸的类似物，是琥珀酸脱氢酶强有力的竞争性抑制物，所以可以阻断三羧酸循环。

(7)延胡索酸的水化延胡索酸酶仅对延胡索酸的反式双键起作用，而对顺丁烯二酸(马来酸)则无催化作用，因而是高度立体特异性的。

(8)草酰乙酸再生在苹果酸脱氢酶(malic dehydrogenase)作用下，苹果酸仲醇基脱氢氧化成羰基，生成草酰乙酸(oxalocetate)，NAD+是脱氢酶的辅酶，接受氢成为NADH+H+(图4-5)。