葡萄糖分解代谢各途径化学计算综述

1、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，

2、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：C6

3、H12O6+2NAD+2Pi+2ADP2CH3COCOOH（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-

4、磷酸葡萄糖(glucose6phophate,G6P)，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(ratelimiting enzyme)或称关键酶(key enzyme)它有同工酶-型，、型主要存在于肝外组织，其对葡萄糖Km值为10-510-

5、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 fructose6phosphate)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

6、 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-

7、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 3phosphatedehydrogenase)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+

8、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(substratelevel 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

9、-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、

10、丙酮酸的无氧和有氧代谢：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。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

11、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(cit

12、rate 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，-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-酮戊二酸(ketogluta

13、rate)、NADH和CO2，此反应为-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-酮戊二酸脱氢酶系作用下，-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。-酮戊二酸脱氢酶系也由三个酶(-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。-酮戊二酸脱氢

14、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

15、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)。以EMP途径的葡萄糖的分解代谢的化学计算：ATP的计算总反应过程：葡萄糖+6氧气+2ATP+2GDP+4ADP+6Pi+2FAD+10NAD+=6CO2+2G

16、TP+4ATP+2FADH2+10NADH+H+反应辅酶ATP葡萄糖G-6-P -1F-6-PF-1，6-P -13-P甘油醛1，3-DPG×2NAD+3*或2* ×21，3-DPG3-P甘油酸×2 1 ×2PEP丙酮酸×2 1 ×2丙酮酸乙酰辅酶A×2NAD+3 ×2异柠檬酸-酮戊二酸×2NAD+3 ×2-酮戊二酸琥珀酰辅酶A×2NAD+3 ×2琥珀酰辅酶A 琥珀酸 ×2 1×2琥珀酸 延胡索酸×

17、;2FAD2×2苹果酸草酰乙酸×2NAD+3 ×2G+38ADP+38Pi+6O238ATP+6CO2+44H2O 38或361FADH2氧化生成1.5或2ATP，以下以2ATP计算；1NADH和H+氧化生成2.5或3ATP，以下以3ATP计算；1GTP即为1ATP所以1葡萄糖彻底氧化分解生成38ATP或36ATP（1丙酮酸穿线粒体膜可能消耗1ATP）CO2的计算：1、 一分子丙酮酸在丙酮酸脱氢酶系的作用下生成一分子CO22、异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶作用下生成草酰琥珀酸然后脱羧基生成-酮戊二酸生成一分子CO23、-酮戊二酸在-酮戊二酸脱氢酶系作用下，脱羧

18、脱氢生成琥珀酰CoA生成一分子CO2所以1葡萄糖氧化分解生成6CO2。H2O的计算1、2-磷酸甘油酸生成磷酸烯醇式丙酮酸时生成一分子的H2O2、三羧酸循环中柠檬酸的生成阶段消耗一分子的H2O3、延胡索酸生成苹果酸阶段消耗一分子的H2O4、NADH和H+、FADH2经过电子传递链各消耗二分之一分子O2生成一分子水5O2+10NADH+H+=10H2O+10NAD+2FADH2+O2=2H2O+2FAD上述氧化1葡萄糖生成14H2O,消耗4H2O,净生成10H2O总反应方程式C6H12O6+6H2O+6O2（酶）6CO2+12H2O+38ATP两者不相符。为什么会多出4分子水?*重点*1、3 磷酸

19、甘油醛生成1 , 3 一二磷酸甘油酸在反应式(a)中已指出NADH·H+的两个H中,一个H来自3一磷酸甘油醛,另一个H来自磷酸。为什么说反应产生的一分子水的两个H都来自磷酸呢?要解答这个问题, 我们需要将磷酸甘油酸激酶和ADP在l，3一二磷酸甘油酸变为3一磷酸甘油酸反应中的作用联系起来才能得到答案。我们知道1 , 3一二磷酸甘油酸转变为3一磷酸甘油酸的反应是由磷酸甘油激酶催化, 使l , 3一二磷酸甘油酸分子上的一个磷酸基团转移到ADP分子上去,形成ATP ,同时，ADP末端磷酸基团上的H 转移给1,3一二磷酸甘油酸C一1上的一个H是由ADP末端的磷酸基团提供的。这点从下面反应过程中

20、即可明白1，3一二磷酸甘油酸生成3 一磷酸甘油酸: 这说明在反应中从3一磷酸甘油醛供给N A D 十的一个H ( 即形成N A D H· H+ 的一个H) , 在反应中又由A D P “归还” 给磷酸丙酮糖( 3 一磷酸甘油酸)。因此, 从酵解的总反应来看, 在反应(a)中NAD+接受的两个H 都可看作来自磷酸分子, 一个H来自参加反应(a)的磷酸。另一个来自参加反应(b) 的ADP的末端磷酸基团。由此可见,在每分子葡萄糖经酵解途径生成两分子丙酮酸的过程中, 虽然产生4 分子水, 但实际上只有两分子水来自糖, 亦即来自反应( b ) , 另两分子由NADH·H+经呼吸链氧化

21、形成的水, 是由磷酸供给的H所形成。2、-酮戊二酸琥珀酰CoA: NADH·H+的一个H来自于葡萄糖的代谢产物-酮戊二酸，另一个H来自于CoA的-SH基。琥珀酰CoA-琥珀酸；琥珀酰CoA和GDP和磷酸作用，产生琥珀酸、GTP、和CoASH。由反应(b) 中, 可见琥珀酸的一个H 和一个O由磷酸供给(也就是说在反应( a ) 中由a 一酮戊二酸供给N IA ) 的一个氢, 在反应(b) 中由磷酸“ 还给” 了a 一酮戊二酸的衍生物 琥珀酸)。同时亦由G D P 末端磷酸基团“ 还给” 了一个H 给CoA , 因此上步反应(b)产生的一分子N A D H · H+的一个H ,

22、 也可说是来自磷酸。这样, 每一分子丙酮酸以乙酰CoA形式通过三羧酸循环, 每运转一周净产生两分子水, 其中一分子来自糖, 另一分子则来自磷酸。按一分子葡萄糖计算,通过三羧酸循环, 真正由糖分解产生的水分子数应为2 。所以总结说3-磷酸甘油醛到1,3-二磷酸甘油醛过程中生成的NADH·H+的2个H相当于来自于磷酸和ADP；-酮戊二酸到琥珀酰CoA过程中生成的NADH·H+的2H相当来自于磷酸和乙酰CoA。不应该算在葡萄糖氧化分解的化学计算中。EMP途径生成的2H2O与三羧酸循环中消耗的4H2O抵消一部分，即消耗2H2O。然后非葡萄糖中间产物提供的H生成4NADH·

23、H+消耗的水为4H2O。总反应式左边共消耗6H2O，方程式右边由10NADH·H+和2FADH2共生成12H2O,净生成6H2O。HMP途径简述：磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway）葡萄糖氧化分解的一种方式。由于此途径是由6-磷酸葡萄糖（G6P）开始，故亦称为己糖磷酸旁路。此途径在胞浆中进行，可分为两个阶段。第一阶段由G6-P脱氢生成6-磷酸葡糖酸内酯开始，然后水解生成6-磷酸葡糖酸，再氧化脱羧生成5-磷酸核酮糖。NADP+是所有上述氧化反应中的电子受体。第二阶段是5-磷酸核酮糖经过一系列转酮基及转醛基反应，经过磷酸丁糖、磷酸戊糖及磷酸庚糖等中间代谢物最

24、后生成3-磷酸甘油醛及6-磷酸果糖，后二者还可重新进入糖酵解途径而进行代谢。戊糖磷酸途径总反应式是：6G6P+12NADP+7H2O 5G6P + 6CO2+Pi+12NADPH+12H+氧化部分第一步和糖酵解的第一步相同，在已糖激酶的催化下葡萄糖生成6磷酸葡萄糖。后来在6-磷酸葡萄糖脱氢酶(这也是磷酸戊糖途径的限速酶)(Glucose-6-phosphat-dehydrogenase)，6-磷酸葡糖酸内酯酶(6-Phosphogluconolactonase)和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶(6-Phosphogluconatdehydrogenase)的帮助下生成5-磷酸核酮糖。非氧化部分其实是一

25、系列的基团转移反应。在5-磷酸核酮糖的基础上可以通过一系列基团转移反应，将核糖转变成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛而进入糖酵解途径。这需要有酶的帮助，比如转羟乙醛酶可以转移两个碳单位。而转二羟丙酮基酶则可转三个。ATP:反应过程中没有底物过程的磷酸化，生成12NADPH·H+。12NADPH·H+12NAD+=12NADP+12NADH·H+12NADH·H+生成36ATP和12H2O所以1葡萄糖经过HMP途径生成36ATP。CO2：6分子6-磷酸葡萄糖酸生成6分子5-磷酸核酮糖过程中生成6分子的CO2H2O:6分子6-磷酸葡萄糖酸内酯生成6分子6-磷酸葡萄糖酸过程中消耗6分子H2O，最后生成的1分子1,6二磷酸果糖转化成1分子6-磷酸果糖消耗1分子H2O,12NADPH·H+最后生成12H2O。所以总反应方程式：G+7H2O+6O2=12H2O+6CO2+36ATPED途径：ED途径也称2-酮-3-