CH14 糖解反應、糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑 生 物 化 學 【第5版】 　CH14 糖解反應、糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

14.1 糖解反應 14.2 糖解反應的供給路徑 14.3 丙酮酸在無氧環境下的反應：醱酵反應 14.4 糖質新生作用 14.1　糖解反應 14.2　糖解反應的供給路徑 14.3　丙酮酸在無氧環境下的反應：醱酵反應 14.4　糖質新生作用 14.5　葡萄糖氧化的五碳醣磷酸路徑 p.563

葡萄糖在動、植物及許多微生物的代謝上扮演中心角 色。 葡萄糖不只是一個絕佳的燃料，它同時也是一個優良 且多功能的前驅物，能夠支援許多代謝中間物以進行 生物合成反應。 葡萄糖有四種主要命運： (1) 它可被預定用於合成細胞外部的複雜多醣。 p.563

(2) 在細胞內被儲存起來（例如：形成多醣類或蔗糖 ）。 (3) 透過糖解反應氧化成三碳化合物（丙酮酸）提供 ATP 與代謝中間產物。 (4) 經由五碳醣磷酸路徑氧化後產生核糖 5-磷酸，提 供核酸合成及產生 NADPH，以提供還原性生物 合成（圖 14-1）。 p.563

圖 14-1 圖14-1　葡萄糖利用的主要代謝路徑。雖然上述並非是葡萄糖代謝的所有可能路徑，但是此四種路徑是大多數細胞對於流經過它們的葡萄糖的量而言，是最具有意義的。 p.563

14.1 糖解反應 糖解反應（glycolysis），將一分子的葡萄糖經由一系 列的酵素催化反應後降解為兩個含有三碳分子的丙酮 酸。 14.1 糖解反應 糖解反應（glycolysis），將一分子的葡萄糖經由一系 列的酵素催化反應後降解為兩個含有三碳分子的丙酮 酸。 醱酵反應（fermentation）一般是指無氧狀況下分解葡 萄糖或其他有機營養物以獲得能量，且以 ATP 貯存 的形式。 p.564

綜觀：糖解反應具有的兩個階段 六碳葡萄糖裂解成為兩個分子的三碳丙酮酸，有 10 個步驟。前五個步驟構成預備階段（preparatory　 phase）（圖 14-2a）。 能量的獲得來自糖解反應的收益階段（payoff phase） （圖 14-2b）。 p.564

圖 14-2 (a) p.565

圖 14-2 (續) (b) p.565

圖 14-2 (續) 圖14-2　糖解反應的兩個階段。對每分子葡萄糖而言，經過預備階段(a)時，會生成兩分子的甘油醛 3-磷酸，再經過收益階段(b)。丙酮酸是糖解反應第二階段的終產物。每分子葡萄糖在預備階段會消耗兩個 ATP，而在收益階段時會生成四個 ATP，因此每分子葡萄糖轉換為丙酮酸時可淨得兩個 ATP。標號的反應步驟個別受列於右方的酵素催化，而且也與本文討論中有標號的標題相配合。注意每個磷醯基以 P 表示，且帶兩個負電荷（ ── PO32−）。 p.565

丙酮酸的命運 於有氧狀況下，糖解反應僅完整降解 葡萄糖的第一階段（圖 14-3）。 丙酮酸的命運　於有氧狀況下，糖解反應僅完整降解 葡萄糖的第一階段（圖 14-3）。 丙酮酸的第二條路徑是經由乳酸醱酵（lactic acid fermentation）還原成為乳酸。 丙酮酸異化作用的第三個主要路徑是生成乙醇，此過 程稱為乙醇（酒精）醱酵〔ethanol（alcohol） fermentation〕。 p.566

圖 14-3 圖14-3　糖解反應形成的丙酮酸可能之三種異化命運。丙酮酸可作為許多同化反應的前驅物，此處並未顯示出來。 p.566

2丙酮酸 + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O (14-1) 伴隨糖解反應生成 ATP 和 NADH 整個糖解反應化學方程式為： 葡萄糖 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2丙酮酸 + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O (14-1) 我們可以將這個糖解反應拆成二個步驟—葡萄糖轉化 為丙酮酸，此為放能： 葡萄糖 + 2NAD+ → 2丙酮酸 + 2NADH + 2H+ (14-2)  ΔG1’° = −146 kJ/mol p.567

糖解反應的預備階段需要 ATP 在糖解反應預備階段中，兩分子 ATP 參與而且使六 碳醣鏈分解成為兩個三碳醣磷酸。磷酸化的六碳醣為 糖解中間物，這個事實很晚才被發現且過程很意外。 p.567

①葡萄糖之磷酸化 p.568

此反應機制包含一個稀二醇中間產物（圖 14-4）。 ②葡萄糖 6-磷酸轉化為果糖 6-磷酸 此反應機制包含一個稀二醇中間產物（圖 14-4）。 p.568

③ 果糖 6 - 磷酸磷酸化成為果糖 1 , 6 - 二磷酸 p.568

圖 14-4 p.569

圖 14-4 (續) 機轉圖14-4　磷酸六碳醣異構酶反應。開環與閉環反應（步驟 與步驟 ）受活性部位組胺酸殘基之催化，其機制為了簡化起見在此省略。質子（粉紅色）起初在第二號碳上，因受緊鄰的羰基與附近的羥基拉電子之作用而變得極易被抽離。質子由第二號碳轉移至活性部位麩胺酸殘基（弱酸）之後，它便可以自由地與周遭溶液行質子互換；也就是說，在步驟 中由第二號碳所抽取出來的質子不一定是步驟 中加在第一號碳上的質子。 p.569

■重要慣例：在分子上不同位置含有兩個磷酸基或磷醯 基的化合物稱為二磷酸（bisphosphate）（或二磷酸化 合物）；舉個例子，果糖 1,6-二磷酸和 1,3-二磷酸甘 油酸。具有兩個磷酸基連接在一起形成焦磷酸基的化 合物稱為二磷酸鹽（diphosphate）；舉個例子，腺苷 二磷酸。相似的規則套用在三磷酸（trisphosphate， 像是肌醇 1,4,5-三磷酸）以及三磷酸鹽（triphosphate ，像是腺苷三磷酸，ATP）的命名。 p.569

④分解果糖 1, 6-二磷酸 p.570

圖 14-5 p.570

圖 14-5 (續) 機轉圖14-5　第一型的醛縮酶反應。在此所顯示的是醛醇縮合反應的逆反應。注意第三號碳和第四號碳之間的鍵結裂解是靠第二號碳上的羰基。A 和 B 代表不同的胺基酸殘基，分別當作一般酸（A）和一般鹼（B）。 p.570

⑤磷酸三碳醣之間的轉變 p.570

糖解反應的收益階段會產生 ATP 和 NADH 經過了三碳醣磷酸異構酶的催化後，衍生自原本葡萄 糖上的第一號碳、第二號碳與第三號碳分別與衍生自 第六號碳、第五號碳與第四號碳在化學上便無法加以 區分（圖14-6）。 糖解反應的收益階段會產生 ATP 和 NADH 糖解反應的收益階段是指以磷酸化的方式保存能量的過程。 兩分子的甘油醛 3-磷酸會轉變成兩分子的丙酮酸，並 且伴隨著四分子的 ADP 轉變為 ATP。 p.571

圖 14-6 p.571

圖 14-6 (續) 圖14-6　葡萄糖上的碳和甘油醛 3-磷酸上的碳之間的關係。(a) 藉由醛縮酶和三碳醣磷酸異構酶催化形成兩個含有三個碳的產物，其碳的來源甘油醛 3-磷酸（兩個分子）即是此二反應之終產物。(b) 甘油醛 3-磷酸的碳都是來自葡萄糖中兩個特定的碳原子。值得注意的是：甘油醛 3-磷酸上碳的位置的數字標示與其所來源的葡萄糖碳的數字標示是不同的。甘油醛 3-磷酸上最複雜的官能基（羰基）定為第一號碳。此數字標示的改變對於在葡萄糖某一特定碳上作放射性標記的實驗之解釋是相當重要的。 p.571

⑥ 氧化甘油醛 3 - 磷酸形成 1 , 3 - 二磷酸甘油酸 p.571

圖 14-7 機轉圖14-7　甘油醛 3-磷酸去氫酶反應。 p.572

⑦ 磷醯基從 1 , 3 - 二磷酸甘油酸轉移到 ADP p.572

⑧ 3-磷酸甘油酸轉化成 2-磷酸甘油酸 p.573

圖 14-8 圖14-8　磷酸甘油酸 變位酶反應。 p.574

⑨2-磷酸甘油酸脫水成磷酸烯醇丙酮酸 p.573

⑩ 從磷酸烯醇丙酮酸轉移磷醯基到 ADP p.574

在這種受質層次磷酸化中，產物丙酮酸（pyruvate） 先以烯醇的形式出現，然後快速且非酵素催化性地互 變異構成酮態，這種情形主要是在 pH 值為 7 發生：

整個平衡表列顯示淨得 ATP 葡萄糖 + 2ATP + 2NAD+ + 4ADP + 2Pi → 2丙酮酸 + 2ADP + 2NADH + 2H+ + 4ATP + 2H2O 葡萄糖 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2丙酮酸 + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O 2NADH + 2H+ + O2 → 2NAD+ + 2H2O 整個糖解反應過程中，一分子的葡萄糖會轉化成兩分 子的丙酮酸（碳路徑）。兩分子的 ADP 和兩個 Pi 轉 變成兩分子的 ATP（磷醯基路徑）。 p.575

BOX 14-1 生化醫療專欄 / 腫瘤的高糖解速率提供了化學療法的標的，且有利於臨床診斷 BOX 1-2 FIGURE 1 p.576

BOX 14-1 (續) 圖1　腫瘤細胞中的葡萄糖無氧代謝所得到的 ATP（每葡萄糖 2 個）遠少於在健康細胞中有氧環境下完全氧化成CO2 所得到的（每葡萄糖約 30 ATP），因此腫瘤細胞必需消耗更多的葡萄糖來製造相同量的 ATP。葡萄糖轉運蛋白和大多糖解酵素在腫瘤中被過量製造。抑制六碳醣激酶、葡萄糖 6-磷酸去氫酶或轉酮酶的化合物能夠阻礙糖解生成 ATP，因此剝奪癌細胞的能量並且殺死它。 p.576

BOX 14-1 (續) 圖2　18F 標定的 2-氟-2-去氧葡萄糖經六碳糖激酶磷酸化，使 FdG 困在細胞內（以 6-磷酸 FdG 形式），能用 18F 的正子發射來偵測其存在。 p.577

BOX 14-1 (續) p.577

BOX 14-1 (續) 圖3　經由正子發射斷層攝影（PET）偵測癌化組織。成人男性病患經過手術切除原位皮膚癌（惡性黑色素瘤）。左邊的影像由全身電腦斷層（CT 掃描）取得，顯示軟組織和骨骼的位置。中間欄是患者服用 18F 標定的 2-氟-2-去氧葡萄糖（FdG）後的 PET 掃描。深色斑點表示高度葡萄糖利用的區域。如預期，腦部和膀胱被大量標記──因為腦部利用了大部分身體所消耗的葡萄糖，膀胱則是因為 18F 標定的 6-磷酸 FdG 被排泄到尿液中。當 PET 掃描標記的強度被轉變為假色（強度隨著從綠色到黃色到紅色漸增強）且與 CT 掃描的影像重疊時，結合的影像（右）顯示出腫瘤在上部脊椎骨頭、肝臟以及肌肉的一些區域，都是從原位惡性黑色素瘤擴散的結果。 p.577

第一型糖尿病葡萄糖攝取有缺陷 相反的，骨骼肌、心肌以及脂肪組織細胞中的葡萄糖 運轉蛋白（GLUT4）被侷限在小小的細胞內囊泡中， 只在對反應胰島素訊號時才移動到細胞膜上（圖 14-9 ）。 有第 1 型糖尿病的個體的 β 細胞太少，以至於無法釋 放足夠的胰島素來促使骨骼肌、心肌或脂肪組織細胞 攝取葡萄糖。 p.578

肌肉和脂肪組織因無法攝取葡萄糖，就使用所貯存的 三酸甘油酯的脂肪酸作為主要燃料。在肝臟，從脂肪 酸裂解衍生出的乙醯輔酶 A 轉變為「酮體（ketone bodies）」──乙醯乙酸和 β-烴丁酸──其被運出細胞 外並被帶至其他組織作為燃料。 未治療的第一型糖尿病中，乙醯乙酸和 β-烴丁酸過量 製造，導致在血中堆積而降低血液 pH 值，產生對生 命有害的酮酸中毒（ketoacidosis）情況。 p.578

圖 14-9 p.578

圖 14-9 (續) 圖14-9　脂肪細胞中第一型糖尿病對糖類和脂肪代謝的影響。正常情況下，胰島素引發 GLUT4 轉運蛋白藉著與含有 GLUT4 的囊泡與細胞膜融合而插入細胞膜中，使細胞從血中攝取葡萄糖。當血中胰島素量降低，GLUT4 經由內吞作用再度被隔離在囊泡中。在第一型（胰島素依賴型）糖尿病中，這些正常的過程被抑制了（以 × 指出）。缺乏胰島素防止經 GLUT4 攝取葡萄糖；後果是細胞喪失葡萄糖而血糖升高。少了葡萄糖的能量供應，脂肪細胞就裂解貯存在脂肪小滴內的三酸甘油酯，並供應得到的脂肪酸給其他組織的粒線體產生 ATP。在肝臟脂肪酸氧化的兩個副產物（乙醯乙酸和 β-烴丁酸）堆積，釋放到血液中，以提供腦燃料，但是也會降低血液 pH 值而導致酮酸中毒。同樣的事件程序發生在肌肉中，除了肌細胞不會儲存三酸甘油脂，而是從血液中取得由脂肪細胞所釋放的脂肪酸。 p.578

總結 14.1 糖解反應幾乎是一個萬能通用的代謝路徑，它可以 將葡萄糖分子氧化成兩分子的丙酮酸，並且保留能 量於ATP 與 NADH 中。 10 種糖解酵素都在細胞質中，而 10 種中間產物都是 三個碳或六個碳的磷酸化化合物。 在糖解反應的預備階段中，ATP 被消耗將葡萄糖轉 化成果糖 1,6-二磷酸。然後在第三號碳與第四號碳之 間的鍵結被破壞，產生兩分子的磷酸三碳醣。 p.579

總結 14.1 (續) 在收益階段中，由葡萄糖分解出來的兩分子甘油醛 3-磷酸會在第一號碳上氧化；每個磷酸三碳醣氧化反應形成一個 NADH 與兩個 ATP 而將能量保存。所以這整個流程的淨反應方程式為： 葡萄糖 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2丙酮酸 + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O 糖解反應與其他能量產生的路徑一起受到緊密的調 控，以確保能達到恆定的 ATP 供應。 第一型糖尿病中，肌肉和脂肪組織的葡萄糖攝取缺 陷對於糖類和脂肪的代謝有很大的影響。 p.579

14.2 糖解反應的供給路徑 最具有意義的是儲存型多醣類，如肝醣與澱粉儲存於 細胞（內生性的）或由食物中取得；雙醣類如麥芽糖 、乳糖、海藻糖和蔗糖；單醣類如果糖、甘露糖和半 乳糖（圖 14-10）。 p.579

圖 14-10 圖14-10　進入糖解反應準備階段的肝醣、澱粉、雙醣和六碳醣。 p.579

飲食中的多醣及雙醣水解成單醣 對許多人而言，澱粉是飲食中主要的碳水化合物來源 （圖 14-10）。消化作用開始於口腔，因為唾液中含 有 α-澱粉酶（α-amylase）能水解澱粉中的（α1→4） 醣苷鍵結產生較短的多醣片段或是寡醣。 p.580

內生性肝醣與澱粉藉由磷酸解作用而降解 儲存在動物組織（主要在肝和骨骼肌）、微生物中或 植物組織中的肝醣可以在相同細胞中藉由肝醣磷酸化 酶（glycogen phosphorylase）（植物中為澱粉磷酸化 酶（starch phosphorylase）催化磷酸解反應而被利用 （圖 14-11）。 p.580

圖 14-11 p.580

圖 14-11 (續) 圖14-11　以肝醣磷酸化酶裂解細胞內肝醣。此酵素催化一個無機磷酸基（粉紅色）攻擊肝醣分子非還原端上的末端葡萄糖殘基（藍色），釋放出葡萄糖 1-磷酸並且產生縮短一個葡萄糖殘基的肝醣。此反應即磷酸解作用（非水解作用）。 p.580

範例 14-1 經磷酸解反應裂解肝糖的能量儲存 計算肝糖經磷酸解反應而非從水解反應起始的糖解步驟所達到的能量儲存（以每葡萄糖單體多少 ATP 分子表示）。 解答 磷酸解反應產生磷酸化葡萄糖（葡萄糖 1-磷酸），然後轉換成葡萄糖 6-磷酸─不用耗費細胞能量（1 ATP），而從游離葡萄糖形成葡萄糖 6-磷酸則需此能量。因此在準備階段，每葡萄糖單體只消耗了1 個 ATP，而與糖解作用從游離葡萄糖起始則需 2 個ATP。所以細胞從每葡萄糖單體得到 3 個 ATP（收益階段產生 4 個 ATP，減掉準備階段使用的 1 個 ATP），而非得到 2 個─每葡萄糖單體多儲存 1 個 ATP。 p.580

去分支酶（debranching enzyme）移除分支。 由肝醣磷酸化酶催化產生的葡萄糖 1-磷酸，可藉由磷 酸葡萄糖變位酶（phosphoglucomutace）的可逆催化 反應轉變為葡萄糖 6-磷酸 葡萄糖 1-磷酸 葡萄糖 6-磷酸 p.580

小腸中的雙醣與糊精，由連接在腸壁道上皮細胞外表 面的酵素來進行水解： 糊精 + nH2O n D-葡萄糖 麥芽糖 + H2O 2D-葡萄糖 乳糖 + H2O D-半乳糖 + D-葡萄糖 蔗糖 + H2O D-果糖 + D-葡萄糖 海藻糖 + H2O 2D-葡萄糖 糊精酶 麥芽糖酶 乳糖酶 蔗糖酶 海藻糖酶 p.581

其他的單醣類由數個不同點進入糖解路徑 果糖 + ATP 果糖 6-磷酸 + ADP 在肝臟中一個稱為果糖激酶（fructokinase）的酵素， 可以磷酸化果糖的第一號碳，而不是第六號碳： 果糖 + ATP 果糖 1-磷酸 + ADP Mg2+ Mg2+ p.581

至於甘油醛則受三碳醣激酶（triose kinase）及 ATP 磷酸化成為甘油醛 3-磷酸： 甘油醛 + ATP 甘油醛 3-磷酸 + ADP Mg2+ p.581

缺乏此路徑的三種酵素之一都會造成人類的半乳糖血 症（galactosemia）。 D-半乳糖是雙醣類乳糖（牛奶糖）的水解產物，由小 腸經血液送至肝臟中。在此由半乳糖激酶 （ galactokinase）及 ATP 作用而在第一號碳上進行第一 次的磷酸化： 半乳糖 + ATP 半乳糖 1-磷酸 + ADP 半乳糖 1-磷酸接著經由以尿嘧啶核苷二磷酸（uridine diphosphate；UDP）微類輔酶，攜帶六碳醣基一系列 反應之後轉變成第四號碳的差向異構物葡萄糖 1-磷酸 （圖 14-12）。 缺乏此路徑的三種酵素之一都會造成人類的半乳糖血 症（galactosemia）。 Mg2+ p.581

圖 14-12 圖14-12　半乳糖轉換成葡萄糖 1-磷酸。轉換的過程需透過醣類核酸衍生物，UDP-半乳糖，當半乳糖 1-磷酸取代從 UDP-葡萄糖上的葡萄糖 1-磷酸時所產生。UDP-半乳糖接著由 UDP-葡萄糖 4-差向異構酶轉換成 UDP-葡萄糖，反應包含以 NAD+ 氧化第四號碳（粉紅色），再以 NADH 還原第四號碳；結果在第四號碳形成立體空間的反向構形。UDP-葡萄糖在另一個相同反應的循環中回收再利用。此循環的淨效用是轉換半乳糖 1-磷酸成為葡萄糖 1-磷酸；沒有 UDP-半乳糖或 UDP-葡萄糖的淨生成或消耗。 p.582

甘露糖 6-磷酸經由磷酸甘露糖異構酶 （ phosphomannose isomerase）作用後產生果糖 6-磷酸， 為糖解反應之中間物。 甘露糖由六碳醣激酶在第六號碳上磷酸化： 甘露糖 + ATP 甘露糖 6-磷酸 + ADP 甘露糖 6-磷酸經由磷酸甘露糖異構酶 （ phosphomannose isomerase）作用後產生果糖 6-磷酸， 為糖解反應之中間物。 Mg2+ p.582

總結 14.2 肝醣和澱粉是葡萄糖的多聚體儲存態，經由兩個步 驟進入糖解反應。由肝醣磷酸化酶或澱粉磷酸化酶 所催化多聚體末端葡萄糖殘基的磷酸解作用，產生 葡萄糖1-磷酸。之後磷酸葡萄糖變位酶將葡萄糖 1- 磷酸轉變成葡萄糖 6-磷酸而進入糖解反應。 食入的多醣類和雙醣類會被小腸水解酵素轉化成單 醣類，單醣類即可進入小腸細胞進而被送至肝臟或 其他組織中。 p.582

總結 14.2 (續) 各種 D 型六碳醣包括果糖、半乳糖及甘露糖，被匯 集進入糖解作用。其各自可利用磷酸化作用轉換成 葡萄糖 6-磷酸、果糖 6-磷酸或果糖 1-磷酸而進入糖 解反應。 半乳糖 1-磷酸轉換成葡萄糖 1-磷酸涉及兩個核酸衍 生物：UDP-半乳糖和 UDP-葡萄糖。在催化半乳糖 轉換成葡萄糖 1-磷酸路徑中，所需的三種酵素中任 一種產生基因上的缺失都會導致不同嚴重程度的半 乳糖血症。 p.582