Principles of Biochemistry

Principles of Biochemistry
《生物化學原理》第四版 Lehninger Principles of Biochemistry David L. Nelson & Michael M. Cox

糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑
Chapter 14 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　　14.5 葡萄糖氧化的五碳醣磷酸路徑

14.1 糖解反應在動物以及維管束植物中，葡萄糖有三種主要命運：被儲存起來（例如形成多醣類或蔗糖）；氧化成三碳化合物（丙酮酸），並透過糖解反應提供 ATP 與代謝中間產物；或者氧化後經由五碳醣磷酸路徑產生核糖 5-磷酸以提供核酸合成及產生 NADPH，以提供還原性生物合成（圖14-1）。 P.567 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

圖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，但是此三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.568 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

糖解反應（glycolysis，由希臘字 glykys 而來，代表甜的意思；而 lysis 代表分解的意思），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。在一連串的糖解反應中，由葡萄糖所釋放出來的自由能以 ATP 及 NADH 的形式保存。糖解反應是代謝路徑中最早被闡明也是最早被透徹了解的。糖解反應幾乎是葡萄糖分解代謝獨一無二的中樞反應路徑，也是大多數細胞中最大碳流量的反應路徑。在某些哺乳動物的組織及細胞（例如紅血球、腎髓質、腦和精子）中，葡萄糖經此路徑裂解而獲得能量。 P.568 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

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。由於最早的生物出現時，大氣中並無氧，葡萄糖的無氧裂解可能是大多數古代生物從有機燃料分子中獲得能量的方式。經過演化的過程，此種反應順序的化學仍然完整保存下來。脊椎動物與酵母菌以及菠菜的有關糖解反應的酵素，無論在胺基酸序列或三度空間立體結構上都很相似。 P.568 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

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十個步驟，前五個步驟構成預備階段（preparatory phase）（圖14-2a）。在這些反應中，葡萄糖在 C-6（第六號碳原子）上的羥基先被磷酸化（步驟①）。此時形成的 D-葡萄糖 6-磷酸轉變為 D-果糖 6-磷酸（步驟②），之後在 C-1（第一號碳原子）位置再行磷酸化產生 D-果糖 1,6-二磷酸（步驟③）。上述兩次磷酸化反應中 ATP 皆為磷醯基提供者。因為糖解反應中所有糖類衍生物皆為 D 型同分異構物，所以除非當時為了強調立體化學，我們通常省去此 D 型名稱。 P.568 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

果糖1,6-二磷酸分裂產生兩個三碳分子，二羥丙酮磷酸與甘油醛3-磷酸（步驟 4）；而整個路徑也因此「裂解」步驟而命名為「糖解」。二羥丙酮磷酸再經由同分異構轉換為第二個甘油醛3-磷酸分子（步驟 5），至此為糖解反應第一階段結束。由化學透視表示圖可看出步驟②中的同分異構轉換，對於步驟③及 4 的磷酸化及碳－碳共價鍵結斷裂具有決定性作用，之後會詳述。值得注意的是在葡萄糖被切裂為兩個三碳分子之前，已先有兩分子ATP 投入反應；此處的能量投資會於後期獲得回報。 P.569 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

能量的獲得來自糖解反應的收益階段（payoff phase）（圖14-2b）。每個甘油醛 3-磷酸分子被氧化且受到無機磷（非 ATP）的磷酸化而形成 1,3-二磷酸甘油酸（步驟 6）。當兩分子 1,3-二磷酸甘油酸轉換成兩分子的丙酮酸時，能量就此釋放（步驟7至10）。此能量大多藉由將四分子 ADP 磷酸化成為 ATP 而被保留下來。因此每使用一分子葡萄糖便會淨產兩分子 ATP ，因為在預備階段已投入兩分子 ATP 。對每分子葡萄糖而言，在收益階段中所產生的能量也以形成兩分子 NADH 而被保留下來。 P.569 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

圖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（）。 P.570 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

圖糖解反應的兩個階段。 P.570

在連續的糖解反應中，有三種化學轉換需特別注意： (1) 葡萄糖碳骨架降解產生丙酮酸，
(2) 糖解作用時產生的高能磷酸化合物磷酸化 ADP 成為 ATP， (3) 氫離子轉移到 NAD＋，形成 NADH。丙酮酸的命運 Fates of Pyruvate 除細菌領域某些有趣的變異外，糖解反應生成的丙酮酸會透過三種異化路徑其中的一條進行下一步的代謝。在嗜氧生物體或組織中，於有氧狀況下，糖解反應只是完整降解葡萄糖的第一階段（圖14-3）。丙酮酸被氧化失去其羧基生成二氧化碳，並產生乙醯輔酶 A 的乙醯基；此乙醯基隨後會經由檸檬酸循環完全氧化為二氧化碳。 P.569 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

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。當骨骼肌必須在低氧狀況（缺氧； hypoxia）下激烈收縮時，NADH 無法再氧化成 NAD＋，但是 NAD＋仍然需要作為電子接受者以應付丙酮酸的進一步氧化。在此狀況下，丙酮酸便會還原為乳酸，同時由 NADH 接受電子，而再生成 NAD＋以持續供應糖解反應所需。某特定組織及細胞（例如視網膜與紅血球）即使處在有氧狀態下仍然會轉化葡萄糖成為乳酸，而乳酸也是某些微生物於無氧狀態下進行糖解反應的產物（圖14-3）。 P.569 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

丙酮酸異化作用的第三個主要路徑是生成乙醇。在某些植物組織及特定脊椎動物、原生動物及微生物（例如釀造酵母菌）中，丙酮酸於缺氧或無氧狀態下會產生乙醇及二氧化碳，此過程稱為乙醇（酒精）醱酵〔ethanol（alcohol）fermentation〕（圖14-3）。 P.569 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

圖 14.3 糖解反應形成的丙酮酸可能之三種異化命運。
圖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.571 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

伴隨糖解反應生成 ATP ATP Formation Coupled to Glycolysis 糖解反應進行時，某些葡萄糖分子的能量被保留在 ATP 中，而多數則保留在產物丙酮酸當中。整個糖解反應化學方程式為：當每一分子葡萄糖降解為丙酮酸時，便會由 ADP 及 Pi 產生兩分子的 ATP 。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： P.569 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

式14-2 與14-3 的總和結果會得到糖解反應的全體標準自由能變化ΔG's°：
由 ADP 及 Pi 生成 ATP ，此為吸能：式14-2 與14-3 的總和結果會得到糖解反應的全體標準自由能變化ΔG's°：在細胞內及標準狀態下，糖解反應是必需且不可逆的過程，由巨大的淨自由能差所驅動完成。在細胞內實際的 ATP 、ADP、Pi與葡萄糖及丙酮酸的濃度下，糖解反應（以丙酮酸為終產物）所釋放的能量以 ATP 為形式回收的效率超過 60% 。 P.571 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

磷酸化中間產物的重要性 Importance of Phosphorylated Intermediates 葡萄糖至丙酮酸之間的九個糖解中間物皆受磷酸化（圖14-2）。磷醯基似乎具有三種功能：
1. 因為漿膜一般缺乏磷酸糖的運輸蛋白，因此磷酸化的糖解中間物無法離開細胞。在初次磷酸化之後，僅管細胞內外存在巨大的濃度差，也不需再耗能來使磷酸化的中間物持續留在細胞內。 2. 磷醯基是酵素作用保留代謝能量的基本成份。由磷酸酐鍵（例如在 ATP 中）斷裂所釋出的能量部份保留在形成的磷酸酯類（例如葡萄糖 6-磷酸）中。糖解反應中形成的高能磷酸化合物（1,3-二磷酸甘油酸與磷酸烯醇丙酮酸），提供 ADP 給磷醯基以形成 ATP 。 P.571 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

3. 由磷醯基結合至酵素活性部位所產生的鍵結能，會降低其酵素的活化能而且增加酵素反應的專一性（第 6 章）。ADP 、ATP 的磷醯基以及糖解中間物會與鎂離子形成複合物，而許多糖解酵素的受質結合區對此鎂離子複合物具有專一性。大多數的糖解酵素需要鎂離子才具有活性。 P.571 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

糖解反應的預備階段需要ATP ①葡萄糖之磷酸化 Phosphorylation of Glucose 在糖解反應的第一步驟中，葡萄糖的第六號碳經由磷酸化而被活化並產生葡萄糖 6-磷酸（glucose 6-phosphate）以利後續的反應進行，在這個過程中以 ATP作為磷醯基的供應者： P.572 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

②葡萄糖 6-磷酸轉化為果糖 6-磷酸 Conversion of Glucose 6-Phosphate to Fructose 6-phosphate 磷酸六碳醣異構酶（phosphohexose isomerase）或稱磷酸葡萄糖異構酶（phosphoglucose isomerase）催化葡萄糖 6-磷酸（醛糖）進行可逆性的異構化成為果糖 6-磷酸（fructose 6-phosphate）（酮糖）： P.572 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

圖14-4 為此反應進行的機制。我們可以預期當標準自由能為相對的小變化產生時，此反應容易往任何一個方向進行。這個異構化反應在糖解路徑的整個化學反應中扮演著關鍵性的角色，因為第一號碳與第二號碳之羰基和羥基的重新排列是接下來兩個步驟必要的前步驟。發生在下一個反應（步驟③）的磷酸化需要先將第一號碳官能基由羰基轉化為酒精，而在下一個步驟中（步驟④），將第三號碳與第四號碳間的鍵結切斷之過程，需要第二號碳的羰基。 P.572 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

機轉圖磷酸六碳醣異構酶反應。環與閉環反應（步驟①與步驟④）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。質子在第一號碳與第二號碳間的移動（步驟②與步驟③）受活性部位麩胺酸殘基（以 B:表示）之鹼催化。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③中由第二號碳所抽取出來的質子不一定是步驟②中加在第一號碳上的質子。〔在羥基間及與溶劑間額外的質子交換（黃色與藍色）為了完整性在此顯示。不論異構反應進行與否，羥基為弱酸可以與周遭水分子互換質子。〕 P.573 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

機轉圖磷酸六碳醣異構酶反應。 P.573

③果糖6 - 磷酸磷酸化成為果糖1 , 6 - 二磷酸 Phosphorylation of Fructose 6-Phosphate to Fructose1,6-Bisphosphate 在糖解反應兩個準備反應的第二個步驟中，磷酸果糖激酶-1（phosphofructokinase-1 ；PFK-1）催化磷醯基自ATP 轉移到果糖 6-磷酸而產生果糖 1,6-二磷酸（fructose 1,6-bisphosphate）： P.573 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

④分解果糖1,6-二磷酸 Cleavage of Fructose 1,6-Bisphosphate 果糖 1,6-二磷酸醛縮酶（fructose1,6-bisphosphate aldolase），通常簡稱為醛縮酶（aldolase），催化可逆性的醛醇縮合反應。果糖1,6-二磷酸被分解產生兩個不同的磷酸三碳醣，甘油醛3-磷酸（glyceraldehyde 3-phosphate）（醛糖）和二羥丙酮磷酸（dihydroxyacetone phosphate）（酮糖）： P.574

⑤磷酸三碳醣之間的轉變Interconversion of the Triose Phosphate 由醛縮酶催化所產生的兩個磷酸三碳醣當中，只有甘油醛 3-磷酸可以在糖解反應中繼續被降解。而另一個產物二羥丙酮磷酸，會被三碳醣磷酸異構酶（triose phosphate isomerase）快速且可逆性地轉化成甘油醛 3-磷酸： P.574 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

糖解反應的收益階段會產生ATP 和NADH
⑥氧化甘油醛 3-磷酸形成 1,3-二磷酸甘油酸 Oxidation of Glyceraldehyde 3-Phosphate to 1,3-Bisphosphoglycerate 收益階段的第一步便是利用甘油醛 3-磷酸去氫酶（glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase），將甘油醛 3-磷酸氧化成 1,3-二磷酸甘油酸（1,3-bisphosphoglycerate）： P.574

機轉圖第一型的醛縮酶反應。此反應為一可逆性的醛醇縮合反應。第三號碳和第四號碳之間的鍵結分解是靠第二號碳上的羰基。①和②：羰基跟活性部位上的離胺酸殘基反應形成亞胺，可以穩定因為鍵結分裂所產生的負碳離子─亞胺去區域電子化的能力較羰基強。 ③：鍵結斷裂釋出甘油醛 3-磷酸為第一產物。 ④：烯胺和酶產生共價鍵結，異構轉化成質子化的希夫鹼。⑤：希夫鹼水解產生二羥丙酮磷酸為第二產物。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.575 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

機轉圖第一型的醛縮酶反應。 P.575 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

圖 14.6 葡萄糖上的碳和甘油醛 3-磷酸上的碳之間的關係。
圖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.576 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

圖 14.6 葡萄糖上的碳和甘油醛 3-磷酸上的碳之間的關係。
圖葡萄糖上的碳和甘油醛 3-磷酸上的碳之間的關係。 P.576 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

⑦磷醯基從 1,3-二磷酸甘油酸轉移到 ADP Phosphoryl Transfer from 1,3-Bisphosphoglycerate to ADP 磷酸甘油酸激酶（phosphoglycerate kinase）把 1,3-二磷酸甘油酸羧基上的高能磷醯基轉移到 ADP ，形成 ATP 和 3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate）： P.576

⑧ 3-磷酸甘油酸轉化成 2-磷酸甘油酸 Conversion of 3-Phosphoglycerate to 2-Phosphoglycerate 磷酸甘油酸變位酶（phosphoglycerate mutase）會可逆地催化甘油酸第二號碳和第三號碳間的磷醯基轉移；而 Mg2＋在這個反應中是必須的： P.577 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

機轉圖甘油醛 3-磷酸去氫酶反應。在① 形成酵素受質複合物之後，②共價硫半縮醛鍵結由相鄰的鹼性催化劑（也許是組胺酸殘基）透過酸鹼催化於受質與胱胺酸殘基的─SH 基之間形成。③此酵素受質中間物受結合至活性部位之 NAD＋氧化形成共存之醯－酵素中間物，一種硫酯。④新形成的 NADH 離開活性部位被另一個 NAD＋分子所取代。酵素醯基與硫醇基之間的鍵結具有非常高的標準水解自由能。⑤此鍵結磷酸化（受 Pi 攻擊）後，釋放出醯基磷酸產物，1,3-二磷酸甘油酸。在氧化甘油醛 3-磷酸的醛基時，此產物的形成保留了許多釋出的自由能。 P.578 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

機轉圖甘油醛 3-磷酸去氫酶反應。 P.578

⑨ 2-磷酸甘油酸脫水成為磷酸烯醇丙酮酸 Dehydration of 2-Phosphoglycerate to Phosphoenolpyruvate 在第二個產生具有高磷醯基轉移能力的糖解反應中，烯醇酶（enolase）可逆地從 2-磷酸甘油酸移走一個水分子給磷酸烯醇丙酮酸（phosphoenolpyruvate；PEP）： P.578 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

⑩從磷酸烯醇丙酮酸轉移磷醯基到 ADP Transfer of the Phosphoryl Group from Phosphoenolpyruvate to ADP 糖解反應最後一步驟是以丙酮酸激酶（pyruvate kinase）催化一個磷醯基從磷酸烯醇丙酮酸轉移到 ADP，此反應需要 K＋和 Mg2＋或 Mn2＋： P.579

整個反應有大而負值的標準自由能變化，大部分來自於丙酮酸從烯醇態自動轉變為酮態。
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 時發生：整個反應有大而負值的標準自由能變化，大部分來自於丙酮酸從烯醇態自動轉變為酮態。 P.579 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

圖磷酸甘油酸變位酶反應。酵素在反應的初始，組胺酸殘基被磷酸化。①磷酸酵素轉移磷醯基到 3-磷酸甘油酸形成 2,3-BPG。② 2,3-BPG 上第三號碳的磷醯基轉移到酵素的同一個組胺酸殘基上，產生2-磷酸甘油酸並且再生磷酸酵素。 P.579 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

整個平衡表列顯示淨得ATP 我們現在可以為糖解反應建構出一個平衡表列來解釋 (1) 葡萄糖碳骨架的代謝命運，
(2) Pi、ADP 的投入與 ATP 的輸出和 (3) 氧化還原反應中電子行進的路徑。下列反應方程式的左邊指出了所有的輸入項目，包括 ATP、NAD＋、ADP 與 Pi（參閱圖14-2），右邊則指出所有的輸出項目（注意每一個葡萄糖分子可以產生兩個丙酮酸分子）： P.580 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

消去方程式兩邊相同的項目使得整個方程式為有氧的情況下之糖解反應：
在有氧的情況下，糖解反應形成的兩個 NADH 會把電子轉移給真核細胞粒線體的電子傳遞鏈而再氧化成 NAD＋。電子傳遞鏈傳遞電子到最終的目的地，O2：在粒線體中從 NADH 到 O2 的電子傳遞過程提供呼吸連結磷酸化系統能量以合成 ATP（第19 章）。 P.580 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

糖解反應受到嚴謹的調控 Louis Pasteur 用酵母菌研究葡萄糖醱酵的反應過程中發現：在無氧的狀況下葡萄糖的消耗總量及速率，比在有氧的狀況下高。之後在肌肉研究中也發現，糖解反應的速率在有氧與無氧的狀況下有很大的不同。「Pasteur 效應」的生化基礎現今已經清楚了。在無氧的狀況（每分子葡萄糖會產生 2 個 ATP）下進行糖解反應，它的 ATP 產量比在有氧情況（每分子葡萄糖會產生 30 或 32 個 ATP ；見表19-5）下將葡萄糖完全氧化成二氧化碳來得小。所以在無氧狀況下進行糖類的代謝比在有氧狀況下需多消耗 15 倍，才能產生等量的 ATP 。 P.580 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

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。
十種糖解酵素都在細胞質中，而十種中間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 的參與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.581 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

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：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。六碳醣激酶、磷酸果糖激酶-1 和丙酮酸激酶都可以受異構調控，因而控制此路徑的碳流量並且使代謝中間物維持一定的量。 P.581 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

Chapter 14 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　　14.5 葡萄糖氧化的五碳醣磷酸路徑

14.2 糖解反應的供給路徑肝醣與澱粉藉由磷酸解作用而降解
14.2 糖解反應的供給路徑除了葡萄糖之外，許多碳水化合物在糖解反應中都有其異化命運，它們會被轉變成糖解中間物。最具有意義的儲存態是多醣類，如肝醣與澱粉；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14-9）。肝醣與澱粉藉由磷酸解作用而降解在動物組織與微生物中的肝醣（以及在植物體中的澱粉）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。 P.581 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

圖 14.9 進入糖解反應準備階段的肝醣、澱粉、雙醣和六碳醣。
圖進入糖解反應準備階段的肝醣、澱粉、雙醣和六碳醣。 P.582 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

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
這些酵素可以催化 Pi 攻擊肝醣中非還原端之末兩個葡萄糖殘基之(a ) 醣苷鍵結，產生葡萄糖1-磷酸以及缺少一葡萄糖單位之聚合體（圖14-10）。磷酸解作用（phosphorolysis）保留部分醣苷鍵的能量在葡萄糖1-磷酸上的磷酸酯鍵。肝醣磷酸化酶（或是澱粉磷酸化酶）會不斷重複地作用直到它接近(a ) 分支點（圖7-15）才會停止。之後去分支酶（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 P.581 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

形成的葡萄糖 6-磷酸可以進入糖解反應或其他路徑，例如五碳醣磷酸路徑，在第 14
形成的葡萄糖 6-磷酸可以進入糖解反應或其他路徑，例如五碳醣磷酸路徑，在第 14.5 節會有詳述。磷酸葡萄糖變位酶與磷酸甘油酸變位酶執行相同的基本機轉。一般稱為變位酶（mutase）的酵素會催化同一分子中由一端到另一端的官能基轉移。變位酶是異構酶（isomerase）的一個次分類，而異構酶是一種可以由內部轉換立體異構物、結構或位置的同分異構物的酵素（見表 6-3）。 P.582 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

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。其分解開始於口腔，因為唾液中含有α-澱粉酶（α-amylase）（圖14-9）能水解澱粉中的醣啟鍵結產生較短的多醣片段或是寡醣（注意在這個水解反應中，作為攻擊物質的是水而非 Pi）。在胃中唾液α-澱粉酶會因較低的 pH 值而失去活性，但第二種形式的α-澱粉酶藉由胰臟分泌到小腸中，繼續完成裂解步驟。胰臟的α-澱粉酶主要產生麥芽糖以及麥芽三碳醣（α( ) 葡萄糖的雙醣及三醣）和我們稱為限制糊精或是支鏈澱粉片段（含有α ( ) 分支點）的寡糖。 P.582 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

圖以肝醣磷酸化酶裂解肝醣。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.583 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

雙醣需要先水解成單醣後才能進入細胞。小腸中的雙醣酶與糊精，由腸壁道上皮細胞表面的酵素來進行水解：
此處形成的單醣被主動運輸進入上皮細胞（見圖11-44），接著進入血液被帶往各組織進行磷酸化且匯集進入糖解系列。 P.583 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

乳糖不耐症（lactose intolerance）是除了北歐及部分的非洲區以外，人類成人中最常見的疾病。起因於在幼年期小腸細胞中乳糖酶大部分或全數缺乏活性，乳糖在小腸中無法被完全分解和吸收而進入大腸，在大腸中被細菌利用，而產生的毒素造成下腹疼痛或腹瀉。這個症狀可能不僅如此，未分解的乳糖及其代謝物會增加小腸滲透壓，使得水分滯留在小腸中。在世界大多數地區乳糖不耐症相當盛行，雖然某些國家已有預先將乳製品以乳糖酶水解過的商品，但成年人仍不會把牛奶當作食物。在特定的人類疾病中，小腸內雙醣酶部分或幾乎全部消失。這些病例中，這種由飲食中雙醣所引起的消化障礙，有時只能藉由飲食控制來抑制疾病的產生。 P.583 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

其他的單醣類由數個不同點進入糖解路徑大多數生物體中，除葡萄糖外的其他六碳醣在轉化成磷酸化衍生物後進入糖解路徑。D-果糖，以自由態存在於許多水果中，在脊椎動物小腸中也可藉由蔗糖水解而產生。果糖由六碳醣激酶磷酸化作用：在肌肉與腎臟中此為果糖進入糖解反應的主要路徑。然而在肝臟中，果糖由不同的路徑進入糖解反應。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： P.583 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

果糖 1-磷酸接著被果糖 1-磷酸醛縮酶（fructose 1-phosphate aldolase）分解為甘油醛和二羥丙酮磷酸：
二羥丙酮磷酸可由糖解酵素的三碳醣磷酸異構酶催化變成甘油醛 3-磷酸。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： P.584 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

半乳糖 1-磷酸接著受尿嘧啶核苷二磷酸（uridine diphosphate ； UDP），以六碳醣基攜帶者的類輔酶作用在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14-11）。此差向異構化反應先將第四號碳上的羥基氧化成酮基，之後再將酮基還原成反向構形的羥基。NAD 為氧化及還原反應的輔因子。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）。由半乳糖激酶缺乏所造成的半乳糖血症，在血液及尿液中都會出現高濃度的半乳糖。幼兒白內障的產生主要是因為半乳糖的代謝物半乳糖醇（galactitol）堆積於晶體而造成的。 P.584 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

圖 14.11 在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
圖在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.584

這類型半乳糖代謝失調的症狀相當輕微，嚴格地限制飲食中半乳糖的攝取可大幅降低其嚴重性。
食物中的各種多醣類及糖蛋白經消化後會釋放出甘露糖，甘露糖由六碳醣激酶在第六號碳上磷酸化：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。 P.585 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

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。各種 D 型六碳醣包括果糖、半乳糖及甘露糖，可利用磷酸化作用轉換成葡萄糖 6-磷酸或果糖 6-磷酸而進入糖解反應。 P.585 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

總結 14.2 (續) 半乳糖 1-磷酸轉換成葡萄糖 1-磷酸涉及兩個核苷酸衍生物：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.585 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

Chapter 14 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　　14.5 葡萄糖氧化的五碳醣磷酸路徑

14.3 丙酮酸在無氧環境下的反應：醱酵反應乳酸醱酵中丙酮酸為最終的電子接受者
14.3 丙酮酸在無氧環境下的反應：醱酵反應乳酸醱酵中丙酮酸為最終的電子接受者當動物組織無法得到足夠的氧氣供應糖解反應中丙酮酸和NADH 的正常生成時，就必須藉由還原丙酮酸形成乳酸（lactate）的方式，使 NADH 再生為 NAD＋。如同之前所敘述，某些組織或細胞型態（如紅血球不具粒線體，無法將丙酮酸氧化成 CO2）即使在有氧的情況下也將葡萄糖代謝成乳酸。此丙酮酸還原由乳酸去氫酶（lactate dehydrogenase）所催化，當 pH 值為 7 時產生 L 型乳酸異構物： P.585

在糖解反應中，由一分子葡萄糖形成的兩分子甘油醛 3-磷酸，其去氫反應使得兩個 NAD＋轉變成兩個 NADH。因為還原兩分子丙酮酸成為兩分子乳酸會再生兩分子 NAD＋，所以無 NAD＋或是NADH 的淨改變：醱酵反應（fermentation）一般是指獲得能量（如 ATP）但不消耗氧或不改變 NAD＋或 NADH 濃度的過程。許多種類的生物體可行醱酵反應，許多是在無氧環境下佔有優勢，並且產生多種類的終產物，有些可以利用於商業上。 P.586 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

在乙醇醱酵中乙醇是還原產物酵母菌及其他微生物可以醱酵葡萄糖成乙醇與二氧化碳，而不是形成乳酸。葡萄糖經由糖解反應轉換成丙酮酸，之後丙酮酸以兩個步驟轉換成乙醇與二氧化碳：在第一個步驟中，由丙酮酸去羧酶（pyruvate decarboxylase）催化丙酮酸進行不可逆的去羧反應。此反應是一個簡單的去羧反應，不會造成丙酮酸的淨氧化。丙酮酸去羧酶需要鎂離子及一個強結合性的輔酶（硫胺素焦磷酸），下面將進一步討論。 P.586 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

在第二個步驟中，乙醛由酒精去氫酶（alcohol dehydrogenase）催化還原換成乙醇。還原反應進行所需之 NADH 由甘油醛 3-磷酸的去氫反應供給。此反應中 NADH 提供負氫轉移的機制已非常明瞭（圖14-12）。因此乙醇醱酵的終產物是乙醇及二氧化碳，整個反應式如下：如同乳酸醱酵反應，當葡萄糖（H:C 比率＝ 12/6 ＝ 2）醱酵成為兩個乙醇與兩個二氧化碳（總和的 H:C 比率＝ 12/6 ＝ 2）時，氫碳原子的比率是沒有改變的。在所有的醱酵反應中，反應物與產物的 H:C 比率是一樣的。 P.586 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

機轉圖酒精去氫酶反應。在活化區的 Zn2＋極化乙醛的羰基氧，使得還原態的輔因子 NADH 上的負氫離子（紅色）轉移。還原的中間產物從媒介溶液（藍色）中獲得質子而形成乙醇。 P.588 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

硫胺素焦磷酸攜帶「活化態的醛基」丙酮酸去羧酶反應使我們先認識硫胺素焦磷酸（thiamine pyrophosphate；TPP）（圖14-13），一種由維生素 B1 所衍生的輔酶。人類飲食中缺乏維生素 B1會造成腳氣病，病徵是體液的堆積（水腫）、疼痛、癱瘓，最後導致死亡。硫胺素焦磷酸在切斷緊接於羰基附近的鍵結扮演了重要的角色，譬如在α-酮酸的去羧反應，以及在化學重組反應中，將活化態的醛基從一個碳原子轉移到另外一個碳上（表14-1）。硫胺素焦磷酸的功能部位即硫氮二烯五環，其第二號碳上一個相對酸性的質子。此氫離子的釋放產生陰離子碳，為依賴硫胺素焦磷酸之反應的活化物種（圖14-13）。 P.588 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

機轉圖 14.13 硫胺素焦磷酸（TPP）及其在丙酮酸去羧反應中參與的角色。
第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

機轉圖 14.13 硫胺素焦磷酸（TPP）及其在丙酮酸去羧反應中參與的角色。
(a) 硫胺素焦磷酸是維他命 B1（硫胺素）的輔酶態。硫胺素焦磷酸中的硫氮二烯五環的反應碳原子以紅色表示。在丙酮酸去羧酶催化反應下，丙酮酸的三個碳其中的兩個，在硫胺素焦磷酸上以羥基乙醇或「活化態乙醛基」(b) 方式暫時攜帶，其後會以乙醛型式釋放。 (c) 在切斷碳－碳鍵結後，其中一個產物通常有一游離電子對或陰離子碳，因為其極易傾向於形成一個新鍵結而通常為不穩定的。硫胺素焦磷酸的硫氮二烯五環穩定陰離子碳中間物是藉由提供一個親電子的（缺乏電子）結構到陰離子碳上的電子，如此可藉由共振來轉移電子的位置，此特性結構通稱為「電子槽」，在許多生化反應扮演角色。這個原理在此以丙酮酸去羧酶催化的反應圖示：①硫胺素焦磷酸的陰離子碳，以親核性攻擊丙酮酸的羰基。②去羧反應產生陰離子碳，以硫氮二烯五環穩定。③質子化形成羥基乙醇硫胺素焦磷酸，然後④釋放出乙醛。⑤質子離去而再生陰離子碳。 P.589 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

表 14.1 P.590 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

醱酵反應產生許多常見食物以及工業化合物我們的祖先在數千年前就學會利用醱酵技術來製造及儲存食物。有一些存在於自然食物中的微生物，會將碳水化合物醱酵產生代謝產物，而使這些食物有特別的形式、質地及味道。在1910 年，Chaim Weizmann（後來成為以色列第一任總統）發現 Clostridium acetobutyricum 這菌株能醱酵澱粉產生丁醇和丙酮。這個發現開啟了工業醱酵的領域。某些富含碳水化合物的材料（例如玉米的澱粉或糖蜜）可以提供特定微生物純品系的培養，進而醱酵出更高價值的產物。 P.590 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

例如用來製「瓦斯」的甲醇就是藉由微生物醱酵產生的，同樣的也可以利用蟻酸、醋酸、丙酸、酪酸、琥珀酸、甘油、乙醇、異丙醇、丁醇和丁烷。這些醱酵反應大多數是在大型封閉的桶內進行，可以藉由調控其中的溫度及氣體進出量讓微生物大量繁殖，並排除污染的雜菌（圖14-14）。工業醱酵的好處在於藉由可自我複製的微生物作為化學工廠，經由複雜且多步驟的化學轉換反應來生產大量的產物及少數副產品。在一些工業醱酵中，已經發展出將細胞固著在非活性支撐架上的技術，只要持續將反應物流過固定化的細胞床，就能夠在流出物中收集所要的產物。 P.590 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

圖工業級醱酵。微生物被培養在內含數千公升培養液的無菌槽體中—一個碳和能量都不昂貴的來源—經過嚴密地條件控制，包括低濃度氧以及固定溫度。利用離心的方式將細胞從培養基中分離後，經由醱酵可由細胞或上清液中取得有價值的產物。 P.590 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

總結 14.3 在糖解反應中形成的 NADH 必須循環用來再生 NAD＋，而 NAD＋在收益階段第一步驟中作為電子接受者。在有氧狀態下，電子在粒線體呼吸作用中從 NADH 轉移到氧分子上。在無氧或缺氧的狀態下，許多的生物體會將 NADH 轉移電子到丙酮酸上以再生 NAD＋，形成乳酸。其他的生物體，例如酵母菌，將丙酮酸還原為乙醇和二氧化碳來再生 NAD＋。在這些無氧的過程（醱酵反應）中，葡萄糖的碳沒有氧化或還原。許多的微生物可以醱酵新鮮食物中的糖，導致酸鹼度、味道、質地的改變並且避免食物的腐壞。醱酵反應在工業上被用來從低價的起始材料大量製造具有商業價值的有機化合物。 P.591 第 14 章糖解反應，糖質新生作用，以及五碳醣磷酸路徑

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